Teknik PCB - Optimumkan prestasi anti-bunyi sirkuit isyarat-campuran

Dalam artikel ini, kita akan membincangkan kesan dekat dan membincangkan bagaimana untuk melaksanakan pengetahuan mengenai kesan dekat dan kesan kulit kepada papan sirkuit wayar dan laluan isyarat untuk minimumkan kesan bunyi pada sistem. Pada masa yang sama, kita juga akan membincangkan jenis lain sumber bunyi dan kaedah untuk mengurangi bunyi ini untuk mengurangi bunyi dalam sirkuit.

Kesan Kedekatan

Kesan kedekatan merujuk kepada interaksi dua konduktor bersebelahan yang aliran semasa dalam arah bertentangan, sehingga semasa cenderung untuk berkoncentrasi di kawasan bersebelahan, seperti yang dipaparkan dalam Figur 1.

Figur 1. Kesan dekat membuat arus mengalir dalam arus frekuensi tinggi bertentangan sentiasa menjaga sekuat mungkin

Kerana kesan kulit, arus AC terutamanya berkonsentrasi pada permukaan konduktor.

Apabila jarak antara dua konduktor dekat, dan/atau frekuensi isyarat meningkat, kesan dekat akan membuat arus mengalir melalui dua konduktor bersebelahan lebih dekat bersama-sama. Alasan bagi kesan dekat adalah bahawa semasa sentiasa mencari laluan dengan impedance yang paling sedikit. Di antara elemen lain, laluan dengan paling sedikit impedance biasanya merujuk kepada laluan yang menginimumkan kekuatan medan magnetik yang mengelilingi konduktor.

DC mengembalikan semasa mengisi seluruh konduktor, sementara AC tidak. Laluan yang dipanggil dengan pengendalian yang paling sedikit adalah bahagian di mana medan magnet yang dijana oleh dua konduktor dengan arah semasa bertentangan dengan satu sama lain. Ini juga sebab mengapa arus dua konduktor dengan arah semasa bertentangan adalah dekat satu sama lain. Ini menjadikan garis pengalihan pesawat balik tertarik oleh garis aliran balik yang sepadan di bawah, membuat mereka dekat satu sama lain, seolah-olah pesawat balik adalah laluan yang melaksanakan isyarat balik segera di bawah laluan aliran keluar, seperti yang dipaparkan dalam Figur 2.

Sila perhatikan bahawa di sini kita bercakap tentang pesawat kembali, bukan pesawat tanah. Alasan untuk ini adalah bahawa isyarat kembali kadang-kadang dilakukan melalui pesawat tanah dan kadang-kadang melalui pesawat kuasa. Walaupun pesawat, selama isyarat kembali dilakukan, ia dipanggil pesawat kembali.

Figur 2. Kesan dekat menjadikan dua wayar semasa frekuensi yang relatif tinggi yang mengalir sebanyak mungkin satu sama lain

Densitas semasa (IRP) bagi kapal balik menurun dengan cepat semasa jarak dari pinggir laluan isyarat keluar meningkat, seperti yang dipaparkan dalam Persamaan 1.

Di mana:

IRP mewakili densiti semasa pada jarak mengufuk "D" dari laluan yang membawa isyarat keluar pada aras rujukan

i mewakili semasa isyarat

H mewakili jarak antara laluan yang membawa isyarat keluar dan pesawat rujukan

D mewakili jarak mengufuk dari laluan yang membawa isyarat keluar

Semasa pesawat kembali mengikuti laluan yang membawa isyarat keluar di atas (atau di bawahnya). Apabila nisbah D/H adalah 5, densiti semasa "D" dari pinggir laluan yang membawa isyarat keluar akan jatuh di bawah 4%; apabila nisbah D/H adalah 10, densiti semasa dari pinggir laluan yang membawa isyarat keluar Densitas semasa di "D" akan jatuh di bawah 1% terus di bawahnya. Sebagai hasilnya, semasa bertukar pesawat kembali pada dasarnya terbatas kepada kawasan di bawah laluan yang membawa isyarat keluar yang sepadan. Inilah sebabnya kita tidak perlu membahagi pesawat tanah apabila mempertimbangkan bentangan PCB. Selain itu, pembahagian pesawat tanah boleh menyebabkan masalah radiasi serius. Walaupun banyak desainer cuba untuk menyelesaikan masalah ini dengan perisai mahal, mereka sia-sia.

Semasa kembalian pesawat rujukan mengikuti semasa keluar yang sepadan. Oleh itu, selama laluan arus keluar disimpan pada jarak yang cukup, campuran arus pesawat kembali boleh dihindari. Ia adalah campuran arus pesawat kembali yang menghasilkan Crosstalk dan bunyi. Jarak diantara garis yang disebut di sini adalah fungsi jarak diantara lapisan (H dalam Gambar 2 dan Persamaan 1).

Menurut formula densiti semasa, densiti semasa relatif kepada mana-mana titik (atau jarak "D") dari pinggir laluan yang membawa isyarat keluar boleh dihitung. Sila perhatikan bahawa formula ini menghitung densiti semasa, bukan semasa.

Jarak biasa "H" bergantung pada laluan yang membawa isyarat keluar dan kedudukan sebenar pesawat kembali pada papan sirkuit cetak:

Jika ia diantara lapisan luar dan lapisan dalaman, nilai "H" biasa papan sirkuit 4 lapisan dan 6 lapisan adalah kedua-dua 75 mil;

Jika ia diantara dua lapisan dalaman, nilai "H" biasa bagi papan sirkuit 4 lapisan adalah 39 mili, dan nilai "H" biasa bagi papan sirkuit 6 lapisan adalah 14 mili.

Sila konsultasi penyedia papan sirkuit untuk ruang antara pesawat papan sirkuit yang anda gunakan.

Jika jarak diantara pinggir laluan mencapai 4 kali jarak diantara laluan yang membawa isyarat keluar dan isyarat kembali, percakapan salib akan jatuh ke kurang dari 6% amplitud isyarat.

Kesan kombinasi kesan dekat dan kesan kulit

Sebagai hasil kombinasi kesan dekat dan kesan kulit, kawasan pembawa semasa konduktor hanya menguasai sebahagian kecil dari seluruh salib seksyen, dan kawasan pembawa semasa sebenarnya jauh lebih kecil daripada yang dipaparkan dalam Figur 3.

Figur 3: Kesan gabungan kesan kulit dan kesan dekat adalah bahawa kawasan di mana konduktor sebenarnya membawa arus adalah jauh dikurangi

Kedua-dua kesan kulit dan kesan dekat menyebabkan kawasan pembawa semasa konduktor lebih kecil daripada seksyen salib konduktor, sehingga kedua-duanya meningkatkan resistensi AC konduktor.

Kesan bentangan PCB pada prestasinya

Selain kesan kulit dan kesan dekat, sirkuit frekuensi tinggi ts mempunyai masalah lain yang dinyatakan sebagai gangguan elektromagnetik (EMI). Masalah ini muncul dalam dua aspek: radiasi isyarat dan penerimaan isyarat.

Kerajaan hari ini semua mempunyai peraturan khusus tentang tenaga radiasi yang dibenarkan oleh peralatan. Had tenaga radiasi peranti boleh mengurangkan isyarat gangguan yang diterima oleh sirkuit. Secara tertentu, peraturan ini sangat baik. Pada masa yang sama, kita perlu mengambil tindakan untuk memastikan litar kita tidak boleh radiasi isyarat gangguan frekuensi yang tidak dibenarkan. Praktik desain juga memberitahu kita bahawa tindakan yang tepat mesti diambil semasa proses desain sirkuit untuk mencegah sirkuit daripada menerima isyarat gangguan sekitar. Dalam mana-mana kes, kita tidak boleh yakin apabila litar akan terkena persekitaran dengan gangguan kuat.

Apabila aliran keluar dan aliran semasa kembali, kawasan antara laluan aliran keluar dan laluan kembali dipanggil "kawasan bulat". Semakin besar kawasan sirkulasi, semakin besar medan elektromagnetik mengelilingi konduktor. Radiasi ini dihasilkan oleh medan elektromagnetik yang mengelilingi. Semakin besar kawasan sirkulasi, semakin besar tenaga yang diterima oleh radiasi elektromagnetik atau sambungan elektromagnetik. Oleh kerana arus frekuensi tinggi mengalir sepanjang laluan yang sangat sempit pada pesawat kembali, laluan adalah seperti laluan dan mengeluarkan radiasi, terutama apabila laluan semasa kembali pada pesawat tanah dipaksa untuk melebihi kerana pesawat tanah sedang dibahagi. Radiasi lebih serius bila membawa laluan yang sepadan dengan arus keluar. Oleh itu, membahagi pesawat tanah bukanlah cara yang baik.

Orang biasanya mengisi kawasan yang tidak digunakan di papan sirkuit cetak dengan filem tembaga. Namun, jika filem tembaga yang digunakan untuk mengisi hanya mendarat melalui satu titik, ia sebenarnya sama dengan merancang pesawat tanah yang boleh mengalir melalui titik itu. Antena yang radiasi tenaga. Oleh itu, jika anda tidak dapat mendarat melalui lebih dari satu titik, anda perlu mengelakkan menggunakan mod penuhian filem tembaga ini.

Kaedah biasa lain ialah menggunakan pesawat tanah tunggal dan laluan sirkuit kuasa. Masalahnya dengan kaedah ini adalah bahawa induktan siri yang sama (ESL) kondensator akan menyebabkan impedance kondensator berubah dengan frekuensi, seperti yang dipaparkan dalam Gambar 4. Penggunaan kondensator berbilang dengan toleransi berbeza boleh mengembangkan julat frekuensi yang secara efektif diabaikan, tetapi apabila frekuensi melebihi beberapa ratus MHz, kondensator tidak lagi berguna. Jika desainer berfikir bahawa tidak ada isyarat frekuensi tinggi dalam sirkuit, kita mungkin ingin mempertimbangkan fakta bahawa gelombang kuasa dua mengandungi komponen harmonik yang melebihi harmonik ke-30. Frekuensi harmonik ke-30 bagi isyarat digital 40 MHz adalah 1,2 GHz (1,200 MHz).

Figure 4: Kapasitor boleh mengelak isyarat dalam julat frekuensi yang sangat sempit

Cara paling efektif untuk mengelak komponen frekuensi tinggi ini adalah menggunakan kapasitasi antarlapisan antara pesawat kuasa dan pesawat tanah, dan kapasitasi yang terbentuk antara pesawat kuasa dan pesawat tanah untuk laluan kuasa penghantaran terlalu kecil untuk menghasilkan fungsi pengelakangan frekuensi tinggi yang mencukupi.

Seperti yang kita semua tahu, jika kesan pinggir diabaikan, kapasitasi antara lapisan adalah:

C = k o A / d

Di antara mereka, k = kebenaran relatif dielektrik antarlapisan

o=8.854 x 10-12 farad/meter

A=kawasan dua plat kondensator

d = jarak antara dua plat kondensator

Jika kita menganggap papan sirkuit FR-4 dengan k=4.1 dan jarak antara dua lapisan dalaman adalah 39 mills, kemudian dihitung mengikut persamaan 2, kapasitasi antar lapisan adalah kira-kira 3.67pf/cm2, atau 23.65pf/inch2.

Pertimbangan litar

Sebelum ini kami bincang beberapa isu wayar penting yang perlu dipertimbangkan apabila merancang peranti sirkuit isyarat-campuran (seperti ADC dan DAC), tetapi untuk pemprosesan bunyi, ini jauh dari cukup. Kemudian kita bincang bagaimana litar input dan output menghasilkan bunyi dan bagaimana untuk mencegah masalah ini.

Pertimbangan pemacu masukan

Kebanyakan ADC yang dihasilkan hari ini boleh dianggap sebagai penyukar sampel, iaitu, mereka sampel isyarat input dan tukar tenaga sampel menjadi nilai yang sepadan. Gambar 5 menunjukkan sirkuit yang sama mudah untuk mengambil sampel isyarat input ADC. Dalam figura, "CIN" mewakili kapasitasi input pin, "CS" mewakili kapasitator pemampilan, "S" mewakili tombol pemampilan, dan "RON" mewakili tombol pada Keperlawanan dalam keadaan aktif. Apabila mengambil sampel, tombol "S" ditutup, dan kondensator sampel "CS" dimuatkan ke aras tenaga input; dalam ruang pertukaran apabila suis "S" terbuka dan suis lain (tidak dipaparkan dalam figur) ditutup, menurut rancangan ADC yang berbeza, Tengah yang dilaksanakan pada kondensator pengumpulan dipindahkan ke kondensator atau kondensator lain.

Apabila tukar ditutup lagi untuk pengambilan sampel berikutnya, kerana tekanan pada kapasitor pengambilan sampel dipindahkan ke tempat lain, tekanan pada kapasitor pengambilan sampel berbeza dari apabila tukar dibuka kali terakhir. Untuk memuatkan kondensator pemampilan lagi, denyut semasa dijana pada input ADC, dan denyut semasa menyebabkan punca tegangan pada input ADC. Kecuali kondensator pengumpulan gagal memuatkan ke aras isyarat yang berkesan cukup sebelum tukar dimatikan lagi, secara umum, titik tekanan semacam pada input tidak akan menyebabkan sebarang masalah. Perkara penting ialah isyarat input sampel mesti dimatikan lagi selepas switch dimatikan. Aras isyarat yang berkesan telah mencapai sebelum ini.

Figur 5: Kebanyakan ADC menggunakan input sampel

Kondensator pada input sirkuit ADC boleh mengumpulkan muatan untuk mengurangi permintaan semasa pada sumber pemacu, supaya ia boleh stabil dengan cepat. Namun, secara umum, output penyampai operasi tidak boleh "tolerasi" kapasitasi yang lebih besar, jadi kita biasanya menggunakan penentang penyampai A dalam siri pada output mengisolasinya dari kondensator, seperti yang dipaparkan dalam Gambar 6.

Figur 6: Kebanyakan ADC menggunakan input sampel

Jadi, bagaimana untuk menentukan nilai lawan Rf dan kapasitasi Cf dalam Figur 6? Kaedah yang berkesan adalah untuk pertama kali mengambil 10 kali had kapasitasi kapasitasi bagi kapasitator sampling CS sebagai nilai Cf, dan kemudian menghitung nilai Rf menurut Persamaan 3, di mana "n" adalah resolusi (bilangan bit) ADC.

Pertimbangan kapasitasi output

Induktansi wayar ikatan mengisolasi wayar output yang dibelakang dengan baik dari cip silikon. Apabila isyarat pin output ADC berubah dari rendah ke tinggi, kita boleh mengamati denyut negatif pada garis output, yang kita panggil "lompatan kuasa". Jika garis output ini digunakan sebagai tahap output dan juga dikongsi oleh kawasan lain pada cip silikon yang sama, nadi negatif ini akan ditambah ke isyarat di kawasan ini. Jika kawasan ini adalah litar digital, gelombang denyut negatif ini akan menyebabkan bunyi gelisah; jika ia adalah sirkuit analog, gelombang denyut negatif ini akan secara langsung memperkenalkan bunyi ke dalam proses penukaran.

Apabila output digital berubah dari tinggi ke rendah, muatan yang berkumpul pada kapasitasi bas dan kapasitasi input peranti dipandu akan mengalir melalui permukaan cip silikon dan pin tanah ADC. Induktansi sambungan tanah mengisolasi output DC cip silikon dari darat yang stabil, bebas bunyi dan impuls pins peranti. Amplitude denyut ini akan berbeza dengan bilangan terminal output yang dibuang. Fenomen ini dipanggil "lompatan tanah." Tekanan komponen DC cip silikon tidak konsisten dengan wayar tanah, atau tekanan stabil, tetapi bergerak, membuat bunyi antara isyarat input dan wayar tanah disebabkan perbezaan tekanan, dan bunyi ini diubah lagi, seperti yang Ditunjukkan dalam Gambar 7.

Figur 7: Semasa yang diperlukan untuk muat dan lepaskan kondensator output akan menghasilkan bunyi dalam cip silikon

Untuk ADC dengan input berbeza, anda mungkin berfikir bahawa penolakan mod biasa (CMR) bagi input berbeza boleh menyelesaikan masalah yang disebut atas. Sebenarnya, CMR mana-mana sirkuit akan secara perlahan-lahan gagal dengan meningkat frekuensi bunyi, terutama apabila frekuensi isyarat melebihi beberapa ratus KHZ, kesan CMR lebih teruk. Kerana frekuensi puls lompatan tanah ini biasanya dekat dengan frekuensi data output, dan masa meningkat tegangan pantas sepadan dengan frekuensi yang lebih tinggi, kesan CMR hampir sifar bagi julat isyarat frekuensi tinggi yang disebut di atas.

Oleh itu, tugas kami adalah untuk mengurangi muatan ini dan membuang aliran untuk mengurangi bunyi yang disebabkan.

Langkah pertama untuk mengurangi jenis bunyi ini adalah mengurangi muatan kapasitif pada pin output digital, yang bermakna ia patut dihindari untuk memandu bas secara langsung dengan output ADC (inilah sebabnya kelajuan tinggi ADC masih menggunakan mod output tradisional tiga-negara Reason). Kapensiensi yang lebih kecil bermakna jumlah muatan yang perlu dipindahkan semasa muatan dikurangkan, jadi bunyi yang disebabkan secara alami lebih rendah. Oleh itu, titik yang sangat penting dalam rancangan adalah untuk cuba membuat peranti yang dipandu mempunyai pin input tunggal, kapasitasi rendah, dan akhir input peranti seharusnya sebagai dekat dengan pin output ADC.

Namun, dalam beberapa kes, mustahil untuk mengurangkan kapasitas output ke aras yang cukup untuk menghapuskan bunyi yang disebabkan. Ini terutama benar apabila ketepatan ADC adalah tinggi, tenaga rujukan dan aras tenaga isyarat adalah rendah, dan kadar pengumpulan adalah tinggi. Pada masa ini, ia berguna untuk menyambungkan resistor 47-100 ohm dalam siri yang paling dekat dengan pin output ADC, kerana resistor siri boleh hadapi semasa kondensator pin output ADC memuat dan memuat, dan mengurangkan bunyi pada cip. Lihat Figur 8.

Jika penentang siri tidak ditempatkan sebanyak mungkin kepada pin output digital ADC, kapasitasi papan-papan antara ADC dan penentang siri akan meningkat, dan dengan itu menghasilkan bunyi yang lebih tinggi daripada bunyi asal. Sama seperti, dengan peningkatan ketepatan peranti pertukaran analog-ke-digital, peningkatan tenaga rujukan dan aras tenaga isyarat, dan peningkatan kadar pengumpulan sampel, situasinya lebih baik. Sudah tentu, kita mesti cuba untuk pendek panjang keseluruhan garis penghantaran digital ini.

Gambar 8: Keperlawanan siri pada output ADC boleh mengurangkan bunyi disebabkan oleh muatan dan muatan kondensator output

Penjelasan yang meliputi

Semua garis pengangkutan isyarat adalah garis pengangkutan. Apabila panjang garis melebihi ambang tertentu, garis mesti dianggap sebagai garis penghantaran untuk menghindari penyelesaian isyarat, penyelesaian masa, gelisah dan bunyi.

Bila frekuensi isyarat meningkat, kesan kulit dan kesan dekat akan meningkatkan komponen sebenar (resistensi) impedance garis. Apabila garis lain dekat atau jauh dari garis penghantaran, pengendalian garis penghantaran akan berubah sesuai dengan itu, menghasilkan distribusi pengendalian yang tidak sama di seluruh garis penghantaran. Oleh itu, bagaimana untuk menangani garis transmisi adalah sangat penting dalam kawat. Sama juga dengan laluan kembali pesawat. Kapensiensi antar lapisan sangat penting kerana mereka boleh mengelak komponen isyarat frekuensi tinggi yang tidak dibuang oleh kondensator yang tersebar.

Secara umum, rancangan yang masuk akal sirkuit pemandu ADC dan mengurangi arus output akan membantu mengurangi bunyi yang akan merusak prestasi dalaman sirkuit.