PCB Tecnico - Cinque: Guida di progettazione PCB ad alta velocità: Tecnologia di riduzione del rumore del sistema DSP

Con l'avvento del DSP ad alta velocità (processore di segnale digitale) e delle periferiche, i progettisti di nuovi prodotti devono affrontare una minaccia sempre più grave di interferenze elettromagnetiche (EMI). Nei primi giorni, i problemi di emissione e interferenza erano chiamati EMI o RFI (Radio Frequency Interference). Ora usa invece la parola più definita "compatibilità interferenza". La compatibilità elettromagnetica (EMC) include due aspetti dell'emissione e della sensibilità del sistema. Se l'interferenza non può essere completamente eliminata, l'interferenza deve essere minimizzata. Se un sistema DSP soddisfa le seguenti tre condizioni, il sistema è elettromagneticamente compatibile.

1. Nessuna interferenza al sistema stesso.

2. Nessuna interferenza ad altri sistemi.

3. Non è sensibile alle emissioni di altri sistemi.

Definizione di interferenza

L'interferenza è causata quando l'energia dell'interferenza provoca il ricevitore in uno stato indesiderabile. La generazione di interferenze è diretta (attraverso conduttori, accoppiamento ad impedenza comune, ecc.) o indiretta (attraverso reticolazione o accoppiamento a radiazioni). L'interferenza elettromagnetica è generata attraverso i conduttori e attraverso le radiazioni. Molte fonti di emissione elettromagnetica, come luce, relè, motori DC e lampade fluorescenti possono causare interferenze. Anche cavi di alimentazione CA, cavi di interconnessione, cavi metallici e circuiti interni dei sottosistemi possono irradiare o ricevere segnali indesiderati. Nei circuiti digitali ad alta velocità, il circuito dell'orologio è solitamente la più grande fonte di rumore a banda larga. Nel DSP veloce, questi circuiti possono produrre distorsioni armoniche fino a 300MHz, che dovrebbero essere rimossi nel sistema. Nei circuiti digitali, i più facilmente interessati sono le linee di ripristino, le linee di interruzione e le linee di controllo.

EMI condotto

Uno dei percorsi più ovvi e spesso trascurati che possono causare rumore in un circuito è attraverso i conduttori. Un cavo che passa attraverso l'ambiente acustico può raccogliere il rumore e inviarlo ad un altro circuito per causare interferenze. I progettisti devono evitare che il cavo raccolga rumore e utilizzare metodi di disaccoppiamento per rimuovere il rumore prima che il rumore causi interferenze. L'esempio più comune è il rumore che entra nel circuito attraverso la linea elettrica. Se l'alimentatore stesso o altri circuiti collegati all'alimentatore sono fonti di interferenza, la linea di alimentazione deve essere disaccoppiata prima che entri nel circuito.

Raccordo radiante

L'accoppiamento irradiato è conosciuto come crosstalk. Il crosstalk si verifica quando una corrente elettrica scorre attraverso un conduttore per generare un campo elettromagnetico, e il campo elettromagnetico induce correnti transitorie nei conduttori adiacenti.

Attacco di impedenza comune

L'accoppiamento di impedenza comune si verifica quando correnti provenienti da due circuiti diversi scorrono attraverso un'impedenza comune. La caduta di tensione sull'impedenza è determinata da due circuiti. Le correnti di terra dei due circuiti scorrono attraverso l'impedenza comune di terra. Il potenziale di terra del circuito 1 è modulato dalla corrente di terra 2. Il segnale acustico o la compensazione CC è accoppiato dal circuito 2 al circuito 1 tramite un'impedenza di terra comune.

Emissione di radiazioni

Esistono due tipi di base di emissioni irradiate: modalità differenziale (DM) e modalità comune (CM). La radiazione di modalità comune o la radiazione dell'antenna monopolare è causata da una caduta di tensione involontaria, che solleva tutte le connessioni a terra nel circuito al di sopra del potenziale di terra del sistema. In termini di dimensioni del campo elettrico, la radiazione CM è un problema più grave della radiazione DM. Per ridurre al minimo la radiazione CM, è necessario utilizzare un disegno realistico per ridurre la corrente in modalità comune a zero.

Fattori che influenzano l'EMC

Tensione-Maggiore è la tensione di alimentazione, maggiore è l'ampiezza di tensione e maggiore è l'emissione e la bassa tensione di alimentazione influisce sulla sensibilità.

Frequenza - Le alte frequenze producono più emissioni e i segnali periodici producono più emissioni. In un sistema digitale ad alta frequenza, un segnale di picco di corrente viene generato quando il dispositivo è commutato; in un sistema analogico, un segnale di picco di corrente viene generato quando la corrente di carico cambia.

Messa a terra-Nulla è più importante per la progettazione del circuito di un sistema di alimentazione affidabile e perfetto. In tutti i problemi EMC, il problema principale è causato da messa a terra impropria. Ci sono tre metodi di messa a terra del segnale: singolo punto, multi punto e misto. Il metodo di messa a terra a punto singolo può essere utilizzato quando la frequenza è inferiore a 1MHz, ma non è adatto ad alta frequenza. Nelle applicazioni ad alta frequenza, è meglio utilizzare la messa a terra multipunto. La messa a terra ibrida è un metodo di messa a terra a punto singolo per la messa a terra a bassa frequenza e multipunto per alta frequenza. La disposizione del filo di terra e' critica. I circuiti di massa dei circuiti digitali ad alta frequenza e dei circuiti analogici a basso livello non devono essere mescolati.

disaccoppiamento dell'alimentazione elettrica - Quando il dispositivo è acceso e spento, sulla linea elettrica verranno generate correnti transitorie. Queste correnti transitorie devono essere attenuate e filtrate. Le correnti transitorie provenienti da sorgenti elevate di/dt causano tensioni di "emissione" a terra e traccia. L'alto di/dt genera una vasta gamma di correnti ad alta frequenza che eccitano componenti e cavi ad irradiarsi. Il cambiamento di corrente e l'induttanza che scorre attraverso il cavo causeranno una caduta di tensione, che può essere minimizzata riducendo l'induttanza o il cambiamento di corrente nel tempo.

Progettazione PCB-Un corretto cablaggio del circuito stampato (PCB) è essenziale per prevenire EMI.

Tecnologia per ridurre il rumore

Esistono tre modi per prevenire le interferenze:

1. Sopprimere l'emissione della sorgente.

2. Rendere il percorso di accoppiamento il più inefficace possibile.

3. Rendere la sensibilità del ricevitore alla trasmissione il più piccola possibile.

Quanto segue descrive la tecnologia di riduzione del rumore a livello di scheda. La tecnologia di riduzione del rumore a livello di bordo include la struttura del bordo, la disposizione della linea e il filtraggio.

La tecnologia di riduzione del rumore della struttura della scheda comprende:

* Adottare terra e piastra di potere

* L'area della piastra dovrebbe essere grande per fornire bassa impedenza per il disaccoppiamento di potenza

* Minimizzare i conduttori di superficie

* Cavi di terra/alimentazione separati per digitale, analogico, ricevitore e trasmettitore

* Utilizzare linee strette (da 4 a 8 mil) per aumentare lo smorzamento ad alta frequenza e ridurre l'accoppiamento capacitivo

* Separare il circuito sul PCB in base alla frequenza e al tipo

* Non tagliare il PCB, le tracce vicino al taglio possono causare cicli indesiderati

* Utilizzare schede multistrato per sigillare le tracce tra l'alimentazione elettrica e lo strato del pavimento

* Evitare la grande struttura a circuito aperto

* La messa a terra multi-punto è utilizzata per rendere bassa l'impedenza di terra ad alta frequenza

* Mantenere il perno di terra più corto di 1/20 della lunghezza d'onda per prevenire le radiazioni e garantire la disposizione della linea a bassa impedenza. Le tecniche di riduzione del rumore comprendono 45. Invece di 90. Il punto gira, 90. La tornitura aumenterà la capacità e causerà il cambiamento dell'impedenza caratteristica della linea di trasmissione

* Mantenere la distanza tra le tracce di eccitazione adiacenti maggiore della larghezza delle tracce per ridurre al minimo il crosstalk

* L'area del loop del segnale dell'orologio dovrebbe essere il più piccolo possibile

* Le linee ad alta velocità e le linee di segnale dell'orologio dovrebbero essere brevi e direttamente collegate

* Tracce sensibili non devono essere in parallelo con tracce che trasmettono segnali di commutazione rapida ad alta corrente

* Non avere ingressi digitali galleggianti per evitare inutili commutazioni e generazione di rumore

* Evitare tracce di alimentazione sotto l'oscillatore di cristallo e altri circuiti di rumore intrinseci

* Le tracce corrispondenti di potenza, terra, segnale e loop dovrebbero essere parallele per eliminare il rumore

* Mantenere la linea di clock, bus e chip abilitati separati dalla linea di ingresso / uscita e connettore

* Segnale I/O quadratura del segnale di clock del percorso

* Per ridurre al minimo il crosstalk, le tracce dovrebbero essere incrociate ad angolo retto e i fili di terra dovrebbero essere sparsi

* Il connettore PCB è collegato al terreno del telaio, che fornisce schermatura per prevenire le radiazioni al confine del circuito

* Proteggere le tracce chiave (utilizzare tracce da 4 a 8 mil per ridurre al minimo l'induttanza, il percorso è vicino allo strato del pavimento, la struttura sandwich tra gli strati e ogni lato dello strato protettivo ha terreno)

Le tecniche di filtraggio comprendono:

* Filtrare il cavo di alimentazione e tutti i segnali che entrano nel PCB

* Utilizzare condensatori ceramici ad alta frequenza a bassa induttanza (0.1UF per 14MHz, 0.01UF per più di 15MHz) in ogni punto del IC per il disaccoppiamento

* Decoppiare l'alimentazione/terra ai cavi del dispositivo

* Utilizzare il filtro multi-stadio per attenuare il rumore dell'alimentazione multi-banda

* bypassare tutti i pin di alimentazione e tensione di riferimento del circuito analogico

* bypass fast switching devices

Altre tecniche di progettazione per la riduzione del rumore comprendono:

* Incorporare l'installazione dell'oscillatore di cristallo sulla scheda e macinarlo

* Utilizzare terminazione di serie per ridurre al minimo la risonanza e la riflessione di trasmissione. La mancata corrispondenza di impedenza tra il carico e la linea causerà una riflessione parziale del segnale. La riflessione include disturbo istantaneo e overshoot, che genererà un sacco di EMI

* Disporre il filo di terra adiacente vicino al cavo di segnale per evitare che il campo elettrico appaia più efficacemente

* Posizionare correttamente il driver della linea di disaccoppiamento e il ricevitore vicino all'interfaccia I/O effettiva, che può ridurre l'accoppiamento ad altri circuiti sul PCB e ridurre la radiazione e la sensibilità

* Proteggere e ruotare i cavi interferenti per eliminare l'accoppiamento reciproco sul PCB

* Utilizzare diodi a morsetto sui carichi induttivi

* Aggiungere schermatura se del caso

EMC è una questione importante da considerare nella progettazione dei sistemi DSP. Occorre adottare un'adeguata tecnologia di riduzione del rumore per far sì che il sistema DSP soddisfi i requisiti EMC.