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PCB技術 - 高速PCB設計ガイド: DSPシステムのノイズ低減技術

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PCB技術 - 高速PCB設計ガイド: DSPシステムのノイズ低減技術

高速PCB設計ガイド: DSPシステムのノイズ低減技術

2021-08-18
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Author:IPCB

…の出現で 高速DSP (ディジタル信号プロセッサ) 周辺機器, designers of new products are facing an increasingly serious threat of electromagnetic interference (EMI). 初期に, 放射と干渉問題を呼びました EMIまたはRFI(無線周波妨害). 今ではなく、より明確な単語“干渉の互換性”を使用します. Electromagnetic compatibility (EMC) includes two aspects of the system's emission and sensitivity. 干渉が完全に除去できないなら, 干渉を最小化しなければならない. DSPシステムが以下の3つの条件を満たすならば, システムは電磁的に互換性がある.


1 .システム自体への干渉はありません。

他のシステムへの干渉はありません。

3 .他のシステムの排出に敏感ではありません。


干渉の定義


干渉のエネルギーが受信機が望ましくない状態になるとき、干渉は引き起こされます。干渉の発生は、直接(導体、共通インピーダンス結合など)または間接的(漏話または放射結合を介して)である。電磁干渉は、導体を通して、そして、放射線を通して生じられます。光、リレー、DCモータ、蛍光ランプのような多くの電磁放射源は、干渉を引き起こす可能性がある。AC電源コード、相互接続ケーブル、金属ケーブルおよびサブシステムの内部回路は、また、望ましくない信号を放射するかまたは受け取ることができる。高速デジタル回路では、クロック回路は通常、広帯域ノイズの最大の源である。高速DSPでは、これらの回路は300 MHzまで高調波歪みを生成することができ、これはシステムで除去されるべきである。デジタル回路では、最も容易に影響を受けるのは、リセットライン、割り込みライン、および制御線である。


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回路のノイズを引き起こすことがありえる最も明白でしばしば見落とされたパスのうちの1つは、導線である。雑音環境を通過するワイヤは、雑音を拾い上げて、干渉を引き起こすためにそれを他の回路に送り込むことができます。設計者は、ノイズを除去するためにノイズを除去し、ノイズを除去するためにデカップリング法を使用しなければならない。最も一般的な例は、電力線を通る回路に入るノイズである。電源自体または電源に接続された他の回路が干渉源である場合、回路に入る前に電力線を分離する必要がある。


放射結合


放射結合はクロストークと呼ばれる。クロストークは、電流が導体を通って電磁場を生成し、電磁場が隣接する導体に過渡電流を誘起するときに生じる。


共通インピーダンス結合


つの異なる回路からの電流が共通インピーダンスを流れるときに、共通インピーダンス結合が生じる。インピーダンスの電圧降下は2つの回路によって決定される。つの回路からの接地電流は、共通接地インピーダンスを流れる。回路1の接地電位は接地電流2により変調される。ノイズ信号またはDC補償は、共通接地インピーダンスを介して回路2から回路1に結合される。


放射線放射


放射モードの2つの基本的なタイプがあります。コモンモード放射線またはモノポールアンテナ放射は、意図しない電圧降下によって引き起こされる。そして、それは系接地電位より上に回路の全てのグランド接続を生じる。電界の大きさに関しては,cm放射線はdm放射線より深刻な問題である。CM放射線を最小にするために、コモンモード電流をゼロにするために、現実的な設計を使用しなければならない。


EMCに影響する因子


電圧は、電源電圧が高くなるほど、電圧振幅およびより多くの発光を大きくし、低電源電圧は感度に影響を及ぼす。


周波数の高い周波数は、より多くの放出を生成し、周期的な信号は、より多くの排出を生成します。高周波デジタルシステムにおいて、デバイスが切り換えられるときに、電流スパイク信号は生成されるアナログ系では、負荷電流が変化すると電流スパイク信号が発生する。


何も接地しないことは、信頼性があり完璧な電力システムよりも回路設計にとって重要である。すべてのEMC問題において、主な問題は、不適当な接地に起因します。つの信号接地方法:シングルポイント、マルチポイント、および混合されます。周波数が1 MHz以下の場合には1点接地方式を用いることができるが,高周波には適していない。高周波用途では、多点接地を使用するのがベストである。ハイブリッド接地は,高周波用の低周波数および多点接地用の単一点接地法である。接地線のレイアウトは重要です。高周波デジタル回路と低レベルアナログ回路のグランドループは混合してはならない。


デバイスがオン・オフしたときの電源デカップリングは、過渡電流が電力線上に生成される。これらの過渡電流は減衰し、フィルタリングされなければならない。高di/dt源からの過渡電流はグラウンドとトレース“放出”電圧を引き起こす。高di/dtは,コンポーネントとケーブルを励起する広範囲の高周波電流を放射する。電流変化とインダクタンスがワイヤを流れることによって電圧降下が生じ、これはインダクタンスまたは電流変化を時間的に減少させることによって最小化することができる。


PCB設計-Proper printed circuit (PCB) wiring is essential to prevent EMI.

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騒音低減技術


干渉を防ぐ3つの方法があります。

1 .排出源の抑制。

2 .結合経路をできるだけ無効にする。

3 .受信機の送信感度をできるだけ小さくしてください。


ボードレベルのノイズ低減技術について説明する。ボードレベルのノイズリダクション技術はボード構造、ライン配置、フィルタリングを含んでいます。


ボード構造のノイズ低減技術には以下のものがある。


地面とパワープレートを採用

プレートの面積は、パワーデカップリングのために低インピーダンスを提供するために大きくなければならない

表面導体の最小化

デジタル、アナログ、レシーバーおよび送信機のための別々の地面/電源ケーブル

*高周波数減衰を増加し、容量結合を減少させるために

*周波数とタイプに応じて回路上の回路を切り離す

* PCBをカットしないでください、カットの近くのトレースは、望ましくないループを引き起こすかもしれません

*多層ボードを使用して、電源とフロア層との間のトレースをシールする

大きなオープンループ基板構造を避ける

マルチポイント接地は高周波接地インピーダンスを低くするために使用される

※ベースピンを波長の1/20より短くして、放射線を防止し、低インピーダンスライン配置を確保する。ノイズ低減技術は45を含む。90の代わりに。ステッチは90番。ターニングは、キャパシタンスを増加させ、伝送線路の特性インピーダンスを変化させる

クロストークを最小化するために、トレースの幅より大きい隣接する励振トレース間の距離を保つ

クロック信号のループ面積はできるだけ小さくなければならない

*高速線とクロック信号線は短く、直接接続されるべきである

*高感度トレースは、高電流高速スイッチング信号を送信するトレースと並列ではならない

不要なスイッチングとノイズ発生を防ぐために、デジタル入力を浮動しない

水晶発振器と他の固有の雑音回路の下の電源トレースを避ける

*対応する電源、グランド、信号およびループトレースはノイズを除去するために並列でなければならない

クロックライン、バス、チップを入出力線とコネクタから切り離す

経路クロック信号直交I/O信号

クロストークを最小化するために、トレースは直角に交差し、接地線は散乱されるべきである

PCBのコネクタはシャシーグラウンドに接続されており、回路境界での放射線を防ぐためにシールドを提供します

*キートレースを保護します(インダクタンスを最小化するために、8ミル〜8ミルのトレースを使用してください。ルートは、フロアレイヤ、層間のサンドイッチ構造、および保護層の両側が接地されています)。


フィルタリングのテクニックを含める


*電源コードとPCBに入るすべての信号をフィルターする

高周波低インダクタンスセラミックコンデンサ(14 MHz、0.1 MHz以上の0.1 UF)をデカップリング用ICの各点で使用する

*デバイスリードで電源/グランドを分離する

マルチバンド電源雑音を減衰するための多段フィルタリングの使用

アナログ回路の全ての電源及び基準電圧ピンをバイパスする

バイパス高速スイッチングデバイス


その他のノイズ低減 設計技法 include:


※水晶発振器をボード上に埋め込んでグラウンドに埋め込む

共振と透過の反射を最小化する直列終端の使用負荷と線路との間のインピーダンス不整合は信号の部分的反射を引き起こす。反射は、瞬間の妨害とオーバーシュートを含みます

信号線に近接した接地線を配置し、電界がより効果的に現れるのを防ぐ

適切にデカップリングラインドライバとレシーバーを実際のI / Oインターフェースに近づけます。そして、それはPCB上の他の回路との結合を減らして、放射線と感度を減らします

* Shield and twist the interfering leads to eliminate mutual coupling on the PCB

誘導性負荷に対するクランプダイオード

*シールドを追加します。


emcはdspシステムの設計において重要な課題である。dspシステムにemc要求を満たす適切な雑音低減技術を採用した。