電子設計 - 高周波PCB設計における干渉解析及び対策

PCBボードの設計では、周波数が急速に増加するにつれて、低周波PCBボードの設計とは異なる干渉が多く発生します。また、周波数が増加するにつれて、PCBボードの小型化と低コスト化の間の矛盾もますます際立ってきている。これらの干渉はますます複雑になっている。実際の研究では、電源ノイズ、伝送路干渉、結合、電磁干渉を含む4つの主要な干渉をまとめた。高周波PCBの各種干渉問題を分析し、仕事の実践と結びつけて、有効な解決策を提案した。

1.電源ノイズ

高周波回路では、電源のノイズが高周波信号に与える影響が特に顕著である。そのため、最初の要件は電源が低ノイズであることです。ここでは、クリーンな地面はクリーンな電源と同じくらい重要です。どうして？電力特性を図1に示す。明らかに、電源は一定のインピーダンスを持ち、インピーダンスは電源全体に分布しているので、ノイズも電源に重畳します。そして、電源のインピーダンスをできるだけ低くしなければならないので、専用の電源層と接地層があるほうがいいです。高周波回路設計では、電源はレイヤー形式で設計されており、多くの場合、ループは常にインピーダンスの最小経路に従うことができるように、バス形式で設計するよりもはるかに優れています。さらに、電源ボードは、PCB上の生成および受信されたすべての信号に信号回路を提供し、信号回路を最小化し、低周波回路設計者がしばしば無視するノイズを低減する必要があります。

図1電源特性

PCB設計では、電源ノイズを除去する方法がいくつかあります。

1.プレート上の貫通孔に注意：電源層に開口部をエッチングする必要があるように貫通孔を空ける。電力層の開口が大きすぎると、信号ループに影響を与えることは避けられず、信号がバイパスされ、ループ面積が増加し、ノイズが増加する。一方、一部の信号線が開口付近に集中してループを共有している場合、共通インピーダンスはクロストークを引き起こす。図2に示すように。

図2バイパス信号回路共通経路

2.配線を接続するには十分な接地線が必要：各信号には独自の信号回路が必要であり、信号と回路の回路面積はできるだけ小さく、つまり信号と回路は平行でなければならない。

3.アナログ電源とデジタル電源の電源は分離しなければならない：高周波デバイスは通常デジタルノイズに非常に敏感であるため、電源入口で両者を分離して接続しなければならない。信号がアナログ部分とデジタル部分を通過する必要がある場合は、交差点にループを配置してループ面積を減らすことができます。信号回路で用いられるデジタルとアナログとの交差を図3に示す。

図3信号回路のデジタルとアナログ間の交差

4.異なる層間の独立した電源オーバーラップを避ける：そうしないと、回路ノイズは寄生容量によって容易に結合される。

5.分離センサ：PLLなど。

6.電源ケーブルの配置：信号回路を減らすために、図4に示すように、信号線のエッジに電源ケーブルを配置してノイズを低減します。

図4信号線の端に電源線を置く

2、送電線

PCBには、リボン線とマイクロ波線の2つの可能な伝送路しかありません。送電線の最大の問題は反射だ。反省すると多くの問題を引き起こす。例えば、負荷信号は元の信号とエコー信号の重畳であり、信号解析の難しさが増す。反射はエコー損失（エコー損失）をもたらし、信号への影響は付加的ノイズ干渉の影響と同じくらい深刻である：

1.信号源に反射された信号はシステムノイズを増加させ、受信機がノイズと信号を区別するのをより困難にする、

2.どの反射信号も基本的には信号品質を低下させ、入力信号の形状を変更します。原則として、ソリューションは主にインピーダンス整合である（例えば、相互接続インピーダンスはシステムのインピーダンスとよく整合すべきである）が、インピーダンス計算がより面倒な場合があり、いくつかの伝送路インピーダンス計算ソフトウェアを参照することができる。

PCB設計における伝送路干渉を除去する方法は以下の通りである：

（A）伝送路インピーダンスの不連続性を回避する。インピーダンスが不連続な点は、直角、ビアなど、伝送路が突然変異する点であり、できるだけ避けるべきである。方法は：軌道の直角を避けて、できるだけ45°角あるいは円弧を選んで、大きい湾曲もできます；各ビアは図5に示すようにインピーダンス不連続点であるため、できるだけ少ないビアを使用します。外層信号は内層を通過しないようにし、その逆も同様である。

図5伝送路干渉を除去する方法

（B）短い断線は使用しないでください。どのスタブもノイズの元になるからです。短い断線が短い場合は、伝送路の終端で終了することができます。スタブが長い場合は、ソースとして主伝送路が使用され、反射が大きくなり問題が複雑になるため、使用することは推奨されません。

三、カップリング

1.共インピーダンス結合：図6に示すように、干渉源と干渉されたデバイスが回路電源、バス、共通接地などの特定の導体を常に共有する一般的な結合チャネルである。

図6共インピーダンス結合

このチャネルでは、Icの低下は直列電流回路におけるコモンモード電圧をもたらし、それによって受信機に影響を与える。

2.フィールドコモンモード結合は、放射源が干渉回路と共通参照平面によって形成されるループ上にコモンモード電圧を生成することをもたらす。磁場が支配的であれば、直列接地回路に発生するコモンモード電圧の値はVcm=-（226³B/³t）*面積（226²B＝磁気誘導強度の変化）である。もしそれが電磁場であれば、その電界値、その誘導電圧：Vcm=（L*h*F*E）/48の場合、この式はL（m）=150 MHz以下に適用され、この限界を超えて、最大誘導電圧の計算は：Vcm=2*h*Eに簡略化できることが知られている。

3、差模場結合：配線板及びその回路上の導線対又は導線に感知され受信される直接放射線を指す。できれば2本の電線に近づけるようにしてください。この結合は大幅に減少するので、2本のワイヤを撚り合わせて干渉を減らすことができます。

4.線間結合（クロストーク）により、任意の線が並列回路間の望ましくない結合に等しくなり、システムの性能を著しく損なうことになる。そのタイプは容量クロストークと誘導クロストークに分けることができる。前者は、線路間の寄生容量によってノイズ源上のノイズが電流注入によってノイズ受信線路に結合されるため、後者は、望ましくない寄生変圧器の一次と二次の間の信号結合と考えることができる。誘導クロストークの大きさは、2つのループの接近度とループ面積の大きさ、および影響を受ける負荷のインピーダンスに依存する。

5.電力線結合：交流または直流電力線が電磁干渉を受けた後、電力線がこれらの干渉を他の機器に伝送することを指す。

PCB設計におけるクロストークを解消する方法はいくつかあります。

1.いずれのタイプのクロストークも負荷インピーダンスの増加に伴って増加するので、クロストークによる干渉に敏感な信号線は適切に終端しなければならない。

2.容量クロストークを効果的に低減するために、信号線間の距離をできるだけ増加させる。接地層の管理、配線間の空間（例えば、アクティブ信号線と接地線、特に変換された状態の信号線と接地間を分離する）を行い、リードインダクタンスを低下させる。

3.隣接する信号線間に接地線を挿入することも、容量クロストークを効果的に低減することができる。この接地線は1/4波長ごとに接続する必要があります。

4.誘導クロストークについては、できるだけループ面積を減らすべきであり、もし許可されているならば、このループを取り除くべきである。

5.信号共有ループを回避する。

6.信号完全性に注目：設計者は溶接中に終端を実施して、信号完全性の問題を解決しなければならない。この方法を用いた設計者は、良好な信号完全性性能を得るために、遮蔽銅箔のマイクロストリップ長に専念することができる。通信構造で密集したコネクタを使用するシステムの場合、設計者はPCBを使用して終端することができます。

4、電磁干渉

速度が増加するにつれて、EMIはますます深刻になり、相互接続における電磁干渉のような多くの側面で表現されるようになります。高速デバイスは特に敏感です。したがって、高速の偽信号が受信され、低速のデバイスはこの偽信号を無視します。

PCB設計における電磁干渉を除去する方法はいくつかあります：

1.ループを減らす：各ループはアンテナに相当するので、ループの数、ループの面積、ループのアンテナ効果を最小化する必要があります。信号が2点に1つのループしかないことを確認し、人為的なループを回避し、電力レイヤを使用しようとします。

2.フィルタ：フィルタリングは電源線と信号線のEMIを低減するために使用できます。デカップリングキャパシタ、EMIフィルタ、磁気素子の3つの方法があります。EMIフィルタを図7に示す。

図7フィルタタイプ

3.シールド。紙面の問題と多くの議論が詰まっている文章のため、私はそれらを詳しく紹介しません。

4.高周波デバイスの速度をできるだけ低くする。

5.PCB板の誘電率を増加することにより、板に近い伝送路などの高周波部品の外部への放射を防止することができる、PCBプレートの厚さを増やし、マイクロストリップワイヤの厚さを最小にすることで、電磁ワイヤの溢れを防止し、放射線を防止することができます。

議論のこの点では、高周波PCB設計では、次の原則に従うべきだと結論することができます。

1.電源と接地の統一性と安定性。

2.入念に配線し、適切な端子接続を行うことで反射を除去できます。

3.入念な配線と適切な端子接続により、容量とインダクタンスクロストークを低減することができる。

4.EMC要件を満たすためにノイズを抑制する必要があります。