Технология PCB - оптимизация помехоустойчивости смесительной схемы

в данной статье, we will discuss proximity effects и discuss how to apply knowledge about proximity effects and skin effects to circuit доска wiring and signal paths to minimize этот impact of noise on the system. At the same time, Мы также обсудим другие виды источников шумов и способы их снижения, с тем чтобы в конечном счете снизить шум в цепи до минимума.

эффект близости

эффект близости означает взаимодействие двух соседних проводников, ток которых поступает в обратном направлении, и поэтому ток обычно концентрируется в соседних районах, как показано на рисунке 1.

Figure 1. эффект близости позволяет поддерживать ток обратной частоты как можно ближе

Благодаря скин - эффекту ток переменного тока сосредоточен в основном на поверхности проводника.

когда расстояние между двумя проводниками приближается, and/or the signal frequency increases, эффект близости приблизит ток по двум соседним проводникам. причина возникновения эффекта близости заключается в том, что ток всегда ищет путь наименьшего сопротивления. среди прочих факторов, путь к наименьшему сопротивлению обычно диктует проводнику путь наименьшей силы магнитного поля вокруг.

обратный поток постоянного тока заполнен полным проводником, а обмен - Нет. так называемый минимальный путь сопротивлений - это часть тесной связи между магнитными полями, создаваемыми проводниками противоположного направления двух токов. Это также причина сближения токов двух проводников противоположного направления тока. Это привело к тому, что линия поворота плоскости обратного течения была притянута соответствующими линиями обратного течения под ними, чтобы они были близки друг к другу, как будто плоскость обратного течения представляет собой путь передачи сигналов обратного течения вниз по направлению потока, как показано на рисунке 2.

обратите внимание, что здесь мы обсуждаем возвращение на самолет, а не на плоскость горизонта. причина в том, что сигнал обратного хода иногда проходит по плоскости земли, иногда по плоскости питания. независимо от того, на какой плоскости, как только сигнал обратного хода передается, он называется возвратом к плоскости.

Диаграмма 2. The proximity effect makes the two relatively high-frequency current conducting wires as close to each other as possible

плотность тока на уровне возвращения (IRP) быстро уменьшается с увеличением расстояния до края пути к выходному сигналу, как показано в равновесии 1.

где:

IRP указывает путь к выходному сигналу на базовом уровне по горизонтальной плотности тока на удалении от "D"

сигнальный ток

Н - расстояние между маршрутом несущего выходной сигнал и исходной поверхностью

горизонтальное расстояние между контуром D и выходом сигналов

электрический ток возвращается в плоскость, следуя по пути следования выходного сигнала сверху (или снизу). при соотношении D / H к 5 плотность тока "D", начинающаяся с края пути передачи выходного сигнала, будет ниже 4%; при соотношении D / H к 10 плотность тока на "D", начинающаяся с края пути к выходу сигнала, будет снижаться непосредственно до менее чем 1%. Таким образом, переменный ток, возвращающийся на плоскость, в основном ограничен зоной ниже пути, несущего соответствующий выходной сигнал. Вот почему при рассмотрении схемы PCB нам не нужно разделять уровень земли. Кроме того, разделение земной поверхности может привести к серьезным радиационным проблемам. Несмотря на то, что многие дизайнеры пытались решить эту проблему с помощью дорогостоящих экранов, все это было напрасно.

ток возврата в исходной плоскости сопровождается соответствующим выходом. Таким образом, если путь к выходу тока будет оставаться достаточно отдаленным, то можно избежать смешивания токов в обратной стороне. именно смешение токов на обратной стороне создает помехи и шум. расстояние между линиями, упомянутыми здесь, является функцией расстояний между слоями (на рис. 2 "н" и "Равенство 1").

В соответствии с формулой плотности тока можно вычислить плотность тока в любой точке (или на расстоянии "D") относительно края пути к выходу сигнала. обратите внимание, что эта формула рассчитана на плотность тока, а не на ток.

типичное расстояние "н" зависит от пути выходного сигнала и фактического положения плоскости петли на печатных платах:

если между поверхностью и внутренней поверхностью стандартное значение "н" для платы 4 и 6 слоев составляет 75 мм;

если между двумя внутренними слоями стандартное значение "н" для 4 - х пластин составляет 39 мм, то стандартное значение "н" для 6 - х пластин составляет 14 мм.

Please consult the плата цепи поставщик должен предоставить интервал между полетами самолета плата цепи Вы используете.

If the distance between the edges of the path reaches 4 times the distance between the paths carrying the outgoing signal and the return signal, последовательное возмущение снизит до 6% амплитуды сигнала.

эффект близости и скин - эффект

из - за сочетания эффекта близости и скин площадь потока проводника составляет лишь небольшую часть всего поперечного сечения, а фактическая площадь потока намного меньше, чем показано на рис. 3.

Рисунок 3: совокупный эффект скин - эффект и эффект близости - значительно снижает площадь фактического несущего тока проводника

скин - эффект и эффект близости могут привести к тому, что поверхность нагрузки проводника меньше поперечного сечения проводника, поэтому они увеличивают сопротивление проводника переменному току.

The influence of PCB layout on its performance

In addition to the skin effect and proximity effect, высокочастотная цепьts have another problem that is manifested as electromagnetic interference (EMI). Эта проблема проявляется в двух аспектах: облучение сигналов и Прием сигналов.

сегодня у правительства есть конкретные положения о допустимой энергии радиации на оборудовании. ограничение излучаемой энергии устройства может уменьшить сигнал помехи, полученный в цепи. В некотором смысле эти положения являются весьма хорошими. В то же время мы должны принять меры к тому, чтобы наши цепи не излучали несанкционированные сигналы помех частоте. практика проектирования также учит нас, что в процессе проектирования схем необходимо принимать надлежащие меры для предотвращения того, чтобы цепь получала сигналы помех. В любом случае, мы не можем определить, когда цепь будет разоблачена в сильно нарушенной среде.

область между путями стока и обратного течения называется "круговой зоной". Чем больше площадь циркуляции, тем больше электромагнитное поле вокруг проводника. излучение происходит из окружающего электромагнитного поля. Чем больше площадь циркуляции, тем больше энергия, получаемая электромагнитным излучением или электромагнитной связью. Поскольку высокочастотные токи текут по очень узкому пути в плоскости возвращения, этот путь похож на путь и излучает излучение, особенно в тех случаях, когда из - за раздела плоскости земли происходит отклонение пути обратного тока. При переносе пути, соответствующего выходному току, излучение становится более серьезным. Таким образом, размежевание джедаев - это не лучший способ.

People usually fill unused areas on the printed circuit доска заземленная медь. Однако, if the copper film used for filling is only grounded through one point, это на самом деле равносильно разработке плоскости, через которую можно было бы пройти через эту точку. эмиссионная антенна. Therefore, если ты не можешь пройти больше одной точки, Вы должны избегать использования этого режима заливки медной пленкой.

Another common method is to use a single ground plane and power circuit path. The problem with this method is that the equivalent series inductance (ESL) of the capacitor will cause the impedance of the capacitor to change with frequency, Как показано на диаграмме 4. Using multiple capacitors with different tolerances can expand the frequency range that is effectively bypassed, Но когда частота превышает сотни МГц, конденсатор больше не работает.. Если конструктор считает, что в цепи нет таких высокочастотных сигналов, Мы можем рассмотреть тот факт, что кубическая волна содержит гармоническую составляющую более 30 раз. 40 частота 30 гармоник для цифрового сигнала МГц составляет 1.2 GHz (1,200 MHz).

Figure 4: Capacitors can bypass the signal in a very narrow frequency range

ах...

наиболее эффективный способ обойти эти высокочастотные сборки - это использование межслойной емкости между поверхностью источника и коллектором, емкость, образующаяся между поверхностью мощности и плоскостью земли для пути передачи мощности, слишком мала, чтобы создать достаточно высокочастотных боковых функций.

общеизвестно, что при игнорировании краевых эффектов междуслойные емкости:

C = KOA / d

среди них, k = относительная диэлектрическая постоянная межпластового диэлектрика

O = 8.854 x 10 - 12 фарад / м

А = площадь двух пластин конденсатора

D = расстояние между двумя полюсами конденсатора

Если предположить, что расстояние между двумя внутренними слоями к = 4,1 платы FR - 4 составляет 39 мм, то, согласно уравнению 2, междуслойная емкость составляет примерно 3,67 pf / cm2 или 23,65 pf / inch2.

схемный учет

Earlier we discussed some important wiring issues that need to be considered when designing mixed-signal circuit devices (such as ADCs and DACs), но для обработки шумов, этого далеко не достаточно. Next we discuss how the input and output circuits generate noise and how to prevent these problems.

входной привод

Большинство произведенных в настоящее время ADC можно рассматривать в качестве преобразователей для отбора проб, т.е. На диаграмме 5 показана упрощенная эквивалентная схема отбора проб для входной сигнализации ADC. На рисунке "CIN" обозначает входную емкость Искателя, CS - конденсатор отбора проб, S - переключатель пробоотбора, RON - резистор переключателя в режиме проводника. при отборе проб включатель "с" замыкается, пробоотборная емкость "с" заряжается до уровня входного напряжения; в переключающем зазоре, когда выключатель "с" открывается, а другой выключатель (не показан на рисунке) закрывается, напряжение, установленное на пробоотборных конденсаторах, переносится на один или несколько конденсаторов в зависимости от конструкции различных ADC.

при повторном закрытии переключателя для следующего пробоотбора напряжение на пробоотборниках отличается от напряжения при предыдущем открывании. для перезарядки пробоотборных конденсаторов на входе в ADC генерируются электрические импульсы, которые создают пики напряжения на входе ADC. если пробоотборные конденсаторы не заряжаются достаточно эффективно до уровня сигнала, прежде чем вновь выключать выключатель, то, как правило, такие пики напряжения на входе не вызывают проблем. важно, чтобы после закрытия переключателя снова отключили входной сигнал отбора проб. уровень действительного сигнала был достигнут раньше.

Рисунок 5: большинство ADC использует ввод образцов

Конденсаторы на входе цепи ADC могут накапливать заряды, чтобы уменьшить потребность в электрическом токе для привода и тем самым обеспечить его быструю стабилизацию. Однако, как правило, выход операционных усилителей не может "терпеть" большую емкость, поэтому мы обычно используем усилитель, который в конце вывода соединяет резистор с емкостью, как показано на Рисунке 6.

Figure 6: Most ADCs use sample inputs

Итак, как определить значение сопротивления Rf и конденсатора Cf на рис. 6? один из эффективных методов заключается в том, чтобы сначала установить десятикратный предел емкости для пробоотбора конденсатора CS в качестве значения Cf, а затем рассчитать значение Rf на основе эквивалентного варианта 3, где "n" означает разрешение ADC (число).

внимание на выходную емкость

индуктивность линии связи изолирует боковые линии выхода от кремниевых чипов. когда выходной сигнал ADC поднимается с нижней отметки, мы можем наблюдать отрицательный импульс на выходе, который мы называем « отскок мощности». если эта выходная линия используется в качестве выходного каскада и используется в других районах на одном и том же кремниевом чипе, эти отрицательные импульсы будут добавлены в сигналы в этих районах. если это область цифровых схем, эти отрицательные импульсы будут вызывать шум смешивания; если это аналоговые схемы, эти отрицательные импульсы будут вводиться непосредственно в процесс преобразования.

когда Цифровой выход снижается с высоты, конденсатор шины и накопившийся заряд входной емкости приводного устройства протекают через поверхность кремниевых чипов и заземленные пятки ADC. индуктивность связи с заземлением изолирует постоянный выход кремниевых чипов от стабильных, бесшумных заземлений и импульсов на зажимах приборов. амплитуда этих импульсов будет меняться в зависимости от количества разрядных выходных зажимов. Это явление называется "прыжок с земли" напряжение постоянного компонента кремниевых чипов не совпадает с линией земли, не является стабильным напряжением, а колеблется, из - за разницы напряжения, между входным сигналом и линией земли возникает шум, и этот шум вновь преобразуется, как показано на рисунке 7.

Рисунок 7: ток, необходимый для зарядки и разрядки выходного конденсатора, будет шуметь в кремниевых кристаллах

для ADC с дифференциальным вводом, возможно, вы считаете, что подавление общего модуля (CMR) может решить эту проблему. На самом деле CMR любой схемы будет постепенно утрачиваться по мере увеличения частоты шумов, особенно в тех случаях, когда частота сигнала превышает сотни кГц, последствия CMR будут более серьезными. Поскольку частота этих импульсов отскока на земле обычно приближается к частоте выходных данных, а время быстрого повышения напряжения соответствует более высокой частоте, CMR оказывает почти нулевой эффект на диапазон высокочастотных сигналов, о которых говорилось выше.

Поэтому наша задача состоит в том, чтобы свести к минимуму эти зарядные и разрядные токи и тем самым свести к минимуму индуктивные шумы.

Это означает, что следует избегать прямого использования главной магистрали, ведущей к выходу ADC (именно поэтому высокоскоростные ADC по - прежнему используют традиционные три режима выхода). малая емкость означает, что количество зарядов, которые необходимо перемещать в процессе зарядки, уменьшается, и поэтому индуктивный шум естественно снижается. Таким образом, весьма важным элементом конструкции является попытка сделать приводной прибор одним входным штырем с низкой емкостью, а входной конец устройства должен быть как можно ближе к выходу ADC.

Однако в некоторых случаях невозможно снизить выходную емкость до уровня, достаточного для устранения индуктивного шума. это особенно верно в тех случаях, когда ADC отличается высокой точностью, низким эталонным и сигнальным напряжением и более высокой частотой отбора проб. при этом было бы полезно, если бы резистор 47 - 100 ом был последовательным и располагался как можно ближе к выходному элементу ADC, так как последовательный резистор может ограничить ток заряда конденсатора, выводящего цоколь ADC, и уменьшить шум на чипе. См. Рисунок 8.

Если последовательный резистор не приближается, насколько это возможно, к цифровым выводам ADC, то емкость между панелями ADC и последовательным резистором увеличится, что приведет к шуму, превышающему первоначальный шум. Аналогичным образом, это особенно справедливо в связи с повышением точности модуля трансформации, снижением опорного и сигнального напряжения, а также увеличением частоты отбора проб. Конечно, мы должны попытаться сократить общую длину этих цифровых линий передачи.

Рисунок 8: последовательное сопротивление на выходе ADC может уменьшить шум, возникающий в результате зарядного разряда выходного конденсатора

Исчерпывающее изложение

Все линии передачи сигналов - линии передачи. когда длина линии превышает определенный пороговый уровень, она должна рассматриваться как линия передачи во избежание Искажения сигнала, временного отклонения, смешивания и шумов.

по мере увеличения частоты сигнала эффект скин - эффекта и эффект близости увеличит реальную составляющую линейного сопротивления (сопротивления). когда другие линии приближаются или удаляются от линии передачи, сопротивление линии передачи меняется соответствующим образом, что приводит к неравномерному распределению сопротивлений в линии передачи. Поэтому крайне важно, как обрабатывать линии электропередач. так же обстоит дело и с возвращением на самолет. междуярусная емкость очень важна, поскольку она может обойти составляющие высокочастотных сигналов, которые не могут быть устранены за счет конденсаторов рассеяния.

в целом разумное проектирование приводов ADC и снижение выходного тока будут способствовать снижению шумов, которые могут повредить внутренней характеристике схемы.