PCB Teknik - Karışık sinyal devrelerin karşı sesli performansını iyileştirin

Bu makalede, yakın etkileri tartışacağız ve sisteme sesin etkilerini azaltmak için yukarıdaki yakın etkileri ve deri etkileri hakkında bilgileri nasıl uygulayacağımızı tartışacağız. Aynı zamanda, bu sesleri azaltmak için diğer tür ses kaynağı ve metodları da tartışacağız. Sonunda devredeki sesi azaltmak için.

Yaklaşık etkisi

Yaklaşık etkisi, şu anda karşı yönlerde akışlar geçen iki yakın yöneticinin etkileşimini anlatır, böylece şu anda, 1. Şekil olarak gösterilen yakın bölgelerde konsantre edilmesi için kullanılan iki yakın yöneticinin etkileşimi.

Şekil 1. Yaklaşık etkisi, akışları karşı yüksek frekans akışlarında sürekli mümkün olduğunca yaklaştırır.

Deri etkisi yüzünden AC akışı genellikle yöneticinin yüzeyine odaklanıyor.

İki yönetici arasındaki mesafe yaklaşınca ve/veya sinyal frekansı arttığında, yaklaşık etkisi akışları iki yakın yönetici arasından daha yaklaşır. Yaklaşık etkisinin sebebi, şu anda her zaman en azından impedance ile yolu arıyor. Diğer elementler arasında, en azından impedans olan yol genellikle yöneticinin etrafındaki manyetik alanın gücünü azalttıran yola gösterir.

DC dönüşü tüm yöneticiyi doldurur, AC olmadığı halde. En azından impedans olan bu şekilde adlandırılmış yol, iki yönetici tarafından oluşturduğu manyetik alanlar karşılaştırılmış şu anki yönlerle birbiriyle yaklaştırılmış bölümdür. İki yöneticinin akışlarının karşı şu anki yönlerde birbirlerine yakın olduğu için de bu yüzden. Bu, dönüş uça ğının dönüş çizgisini aşağıdaki tersi akış çizgisinin çektiğini yapar, onları birbirlerine yaklaştırır, sanki dönüş uçağının dönüş sinyalini hemen dışarı akış yolunun altında sürdüren bir yol gibi görünüyor.

Lütfen burada dönüş uçağı hakkında konuştuğumuzu unutmayın. Yer uçağı değil. Bunun sebebi, dönüş sinyali bazen yeryüzünden ve bazen güç uçağından geçirilir. Uçağın ne olursa olsun, dönüş sinyali gerçekleştirildiği sürece geri dönüş uçağı denir.

2. Şekil. Yaklaşık etkisi, iki yaklaşık yüksek frekans şu anki kabloları mümkün olduğunca birbirine yaklaşır.

Dönüş uçağının şimdiki yoğunluğu (IRP) çıkış sinyal yolunun kenarından uzak arttığı sürece hızlı azalır, aynı 1'de gösterilmiş gibi.

Nerede?

IRP, referans uçağındaki çıkış sinyali taşıyan yoldan uzay uzaktaki "D" ağımdaki yoğunluğu temsil ediyor.

Sinyal akışını temsil ediyorum.

H, çıkış sinyali ve referens uçağını taşıyan yolun arasındaki mesafeyi temsil ediyor

D, çıkış sinyalini taşıyan yoldan yatay uzağını temsil ediyor

D önüş uçağının akışı yukarıdaki (ya da aşağıdaki) sinyali taşıyan yolun ardından yaklaşır. D/H oranı 5 olduğunda, çıkış sinyali taşıyan yolun kenarındaki ağır yoğunluğu "D" yüzde 4 aşağı düşürür; D/H ilişkisi 10 olduğunda, çıkış sinyali taşıyan yolun kenarından bulunan şimdiki yoğunluğu "D" 'deki şimdiki yoğunluğu doğrudan %1 a şağıya düşecek. Sonuç olarak, dönüş uçağının değişiklik akışı, basitçe yolun altındaki alana sınırlı olacak. Bu yüzden PCB düzenini düşündüğünde toprak uçağını bölmek zorunda değiliz. Ayrıca toprak uçağının bölümü ciddi radyasyon sorunlarına sebep olabilir. Çoğu tasarımcılar bu sorunu değerli korumayla çözmeye çalışırsa da boş yerlerdir.

Referans uçağının geri dönüşü yaklaşık çıkış akışını takip ediyor. Bu yüzden, dışarıdaki akışın yolları yeterince uzakta tutulduğu sürece, dönüş uçak akışlarının karıştırılmasından kaçılabilir. Bu, Crosstalk ve gürültü üreten dönüş uçağın akışlarının karıştırılması. Buradaki hatlar arasındaki mesafe, katlar arasındaki mesafe fonksiyonudur (2. Şekil ve 1 denklemdeki "H" ile eşittir).

Ağımdaki yoğunluk formülüne göre, çıkan sinyali taşıyan yolun kenarından (ya da uzaktan "D") olan her nokta (ya da uzaktan) olan ağımdaki yoğunluk hesaplanabilir. Lütfen şu formül şu anda yoğunluğu hesaplıyor, şu anda değil.

Tipik mesafe "H" çıkan sinyali ve basılı devre masasındaki dönüş uçağının gerçek pozisyonuna bağlı:

Eğer dış katı ve iç katı arasında ise, 4 katı ve 6 katı devre tahtalarının tipik "H" değeri ikisi de 75 milyon;

Eğer iki iç katı arasında ise, 4 katı devre tahtası için tipik "H" değeri 39 mil ve 6 katı devre tahtası için tipik "H" değeri 14 mil.

Lütfen kullandığınız devre tahtasının uçakları arasındaki yer alanı için devre tahtası teminatçısına danışın.

Eğer yolun kenarları arasındaki mesafe dışarı sinyali ve geri sinyali taşıyan yolların arasındaki mesafe 4 kat uzağa ulaşırsa, sinyal genişliğinin %6'den az düşecek.

Yaklaşık etkisinin ve deri etkisinin birleşmiş etkisi

Yaklaşık etkisinin ve deri etkisinin kombinasyonunun sonucu, yöneticinin şu and a taşıyan bölgesi sadece bütün karşılaştırılmış bölgesinin küçük bir parçasını alır ve gerçek şu anda taşıyan bölgesi 3'de gösterilen bölgesinden daha küçük.

3. Şekil: Derin etkisinin ve yaklaşık etkisinin birleştirilmiş etkisi, yöneticinin akışını taşıdığı bölgede oldukça azaltılır.

Hem deri etkisi hem yaklaşık etkisi, yöneticinin şu anki taşıyan bölgesi yöneticinin karşılaştığı bölgesinden daha küçük olmasına sebep ediyor. Bu yüzden ikisi de yöneticinin AC direksiyonunu arttırıyor.

PCB tasarımının etkisi performansına

Derin etkisi ve yaklaşık etkisi de, yüksek frekans sirkleri ts'in elektromagnet etkisi (EMI) olarak gösterilen başka bir problemi var. Bu problem in iki tarafında açıldı: sinyal radyasyon ve sinyal alınması.

Bugünkü hükümetler tüm ekipmanlar tarafından sağlayan radyasyon enerjisi hakkında özel kurallar var. Aygıtın radyasyon enerjisini sınırlamak devre tarafından alınan interferans sinyalini azaltır. Bir anlamda, bu kurallar çok iyi. Aynı zamanda devrelerimizin onaylanmadığı frekans interferinin sinyallerini yayınlayabilmesini sağlamak için önlemler almalıyız. Tasarım praksisi de bize devre dizaynı süreci sırasında doğru ölçüler alınması gerektiğini söylüyor. Herhangi bir durumda devre güçlü müdahale olan bir ortama ne zaman ortaya çıkacağından emin olamayız.

Çıkış akışı ve dönüş akışı arasındaki alan "devre alan" denir. Dönüştürme alanı daha büyük, yöneticinin etrafında elektromagnetik alanı daha büyük. Radyasyon çevre elektromagnetik alan tarafından üretildi. Elektromagnetik radyasyon veya elektromagnetik bağlantı tarafından alınan enerji daha büyük. Yüksek frekans akışı dönüş uça ğında çok kısa bir yol boyunca akıştığı için yol bir yol gibidir ve radyasyon yayıyor. Özellikle yeryüzündeki şu anki yolun bölünmesi yüzünden yeryüzündeki uçağın dönüşüne zorlandığı zaman. Radyasyon, çıkış akışına uygun yolu taşırken daha ciddi. Bu yüzden toprak uça ğını bölmek iyi bir yöntem değil.

İnsanlar genellikle basılı devre tahtasında kullanılmadığı bölgeleri yerleştirilmiş bakır filmiyle doldurur. Ancak, doldurulmak için kullanılan bakra filmi sadece bir nokta aracılığıyla yerleştirilirse, o noktadan geçebilecek toprak uça ğını tasarlamak için eşittir. Enerji ışıklayan bir anten. Bu yüzden, eğer bir noktadan fazla yere giremezseniz, bu baker film dolduruma modunu kullanmayı engellemelisiniz.

Başka bir ortak yöntem, tek toprak uça ğı ve elektrik devre yolunu kullanmak. Bu yöntemle ilgili sorun şu ki, kapsantörün ekvivalent seri indukatörü (ESL) kapasitörün baskısını 4. figürde gösterilen gibi frekans ile değiştirmesini sağlayacaktır. Farklı toleranslar ile çoklu kapasitör kullanmak etkili olarak geçilen frekans menzilini genişletebilir, fakat frekans birkaç yüz MHz'den fazla geçtiğinde kapasitör artık faydalı değil. Eğer tasarımcı devrede böyle yüksek frekans sinyali olmadığını düşünürse, kare dalgasının 30. harmonik karşılığındaki harmonik komponentlerin içindeki gerçeği düşünmek isteyebiliriz. 40 MHz dijital sinyalinin 30. harmoniğin frekansı 1.2 GHz (1.200 MHz).

4. Şekil: Kapacitörler sinyali çok kısa frekans menzilinde geçebilir

Bu yüksek frekans komponentlerini geçmenin en etkili yolu enerji uçağı ve yeryüzü arasındaki uzay kapasitesini kullanmak ve elektrik uçağı ve yeryüzü uçağı arasındaki kapasitesini yaymak için yol için yeterince yüksek frekans kapasitesini üretmek için çok küçük.

Hepimiz bildiğimiz gibi, eğer sınır etkisi görmezden gelerse, katmanın kapasitesi:

C = k o A / d

Aralarında k = karışık katmanın yaklaşık verileceği

o=8,854 x 10-12 farad/metre

A=kapasitörün iki tabağının alanı

d = kapasitörün iki tabak arasındaki mesafe

Eğer k=4.1 ile FR-4 devre tahtasını tahmin edersek ve iki iç katı arasındaki mesafe 39 mil olur, sonra 2 denkleme göre hesaplanırsak, katı kapasitesi yaklaşık 3.67pf/cm2 veya 23.65pf/in2.

Döngü düşünceleri

Daha önce karıştırılmış sinyal devre aygıtlarını tasarladığımızda düşünülmeli önemli bir sürücü sorunları tartıştık, ama ses işlemesi için bu yeterince uzaktadır. Sonra, girdi ve çıkış devrelerin nasıl gürültü oluşturduğunu ve bu sorunları nasıl engelleyeceğini tartışıyoruz.

Girdi sürücü düşünceleri

Bugün üretilen ADC'lerin çoğunu örnek dönüştürücü olarak kabul edilebilir, yani girdi sinyalini örneklendirir ve örneklendirilen voltajı uyumlu bir değere dönüştürebilir. Şekil 5, ADC girdi sinyalini örneklendirmek için basitleştirilmiş ekvivalent devre gösteriyor. Şekilde, "CIN" pin in girdi kapasitesini temsil ediyor, "CS" örnek kapasitesini temsil ediyor, "S" örnek kapasitesini temsil ediyor ve "RON" durumda Resistance kapasitesini temsil ediyor. Örneğin örneklendiğinde "S" değiştirme kapalı ve örnek kapasitesi "CS" girdi voltaj seviyesine yüklenir; "S" değiştirme açık ve farklı ADC tasarımına göre başka bir değiştirme (görüntüde göstermeyen) kapatıldığında örnek kapasitesinde uygulanan voltaj başka bir kapasitöre veya kapasitöre taşındı.

Sıradaki örnek örnekleri için tekrar kapatıldığında, örnek kapasitesinin voltajı başka yerlere taşındığından dolayı, örnek kapasitesinin voltajı geçen sefere değiştiğinde. Örnek alma kapasitesini tekrar yüklemek için, ADC girişinde a ğımdaki bir puls oluşturuyor ve şu and a puls ADC girişinde voltaj örgüsünü neden ediyor. Eğer örnek alma kapasitesinin yeniden kapatılmadan önce yeterince etkili bir sinyal seviyesine yüklenmesi, genelde konuşursa, girişinde böyle voltaj örnekleri hiç bir sorun yaratmayacak. Önemli olan, örnek girdi sinyali kapatıldıktan sonra tekrar kapatılmalı. Etkileyici sinyal seviyesi daha önce ulaştı.

5. Şekil: Çoğu ADC örnek giriş kullanır

ADC devresinin girişindeki kapasitör sürücü kaynağındaki şu anki talebini azaltmak için yükünü toplayabilir, böylece hızlı dengeleyebilir. Fakat genellikle konuşurken, operasyonal amplifikatörün çıkışı "tolerans" daha büyük bir kapasite dayanamaz. Bu yüzden genellikle çıkışta A rezistentçisini seride amplifikatör kullanırız, 6. Şekilde gösterilen şekilde kapasitörden ayırır.

Görüntü 6: Çoğu ADC örnek giriş kullanır

Şimdi, Rf'in ve 6. figürdeki kapasitenin değerini nasıl belirleyeceğiz? İlk olarak örnek kapasitörün ün Cf değeri olarak 10 kat kapasitesi sınırını alıp, sonra Rf değerini 3 denkleme göre hesaplamak, n'in ADC'nin çözümü (bitler sayısı) olduğu yerde.

Çıkış kapasitesi düşünceleri

İlişim kablosunun incelenmesi silikon çipindeki iyi geçmiş çıkış kablosunu izole eder. ADC çıkış pin sinyali aşağıdan yükseklere kadar değiştiğinde, çıkış çizgisindeki negatif pulsuyu izleyebiliriz ki "güç kaçağı" diyoruz. Eğer bu çıkış çizgi bir çıkış sahnesi olarak kullanılırsa ve aynı silikon çipi üzerinde diğer bölgeler tarafından paylaşılırsa, bu negatif pulsler bu bölgelerde sinyallere eklenecek. Eğer bölge dijital devre olursa, bu negatif puls dalgaları gürültüsüne sebep olur; Eğer analog devre olursa, bu negatif puls dalgaları direkten dönüşüm sürecine sesi tanıtırlar.

Dijital çıkış yükseklerden aşağıya kadar değiştiğinde, otobüs kapasitesinde toplanmış yük ve sürücü cihazın giriş kapasitesi silikon çipinin yüzeyinden ve ADC toprak pipinin üzerinden akışacak. Yer bağlama indukatörü silikon çipinin DC çıkışını stabil, gürültüsüz yerden ve aygıtların impuls pulslerinden ayırır. Bu impulsların genişliği yükselmiş çıkış terminalleri sayısıyla değişecek. Bu fenomen "toprak sıçraması" denir. Silikon çipinin DC komponenti voltajı ne yerel kabla, ne de stabil voltajla uyumlu değildir. Fakat, voltajın farklısı yüzünden giriş sinyali ve yerel kabla arasındaki gürültüsü oluşturur ve bu gürültüsü yeniden dönüştürüler.

7. Şekil: Çıkış kapasitesini yüklemek ve taşlamak için gerekli şu anda silikon çipinde sesi oluşturacak.

Farklı girişimleri olan ADC'ler için, farklı girişimlerin ortak reçetesi (CMR) yukarıdaki sorunları çözebileceğini düşünebilirsiniz. Aslında, her devre CMR'nin sesli frekansların yükselmesiyle yavaşça başarısız olacak, özellikle sinyal frekansları birkaç yüz KHZ'den fazla geçtiğinde CMR'in etkisi daha kötüdür. Bu toprak sıçrama pulusunun frekansiyeti genellikle çıkış verilerin frekansiyetine yakın ve hızlı voltaj yükselmesi zamanı yüksek frekansiyete uyuyor, CMR etkisi yukarıdaki yüksek frekans sinyal menzili için neredeyse sıfır.

Bu yüzden, bizim görevimiz bu yükleme ve yayılma akışlarını küçültmek için etkili sesi azaltmak.

Bu tür gürültüsünü azaltmak için ilk adım, dijital çıkış pinlerin kapasitetli yükünü azaltmak, yani ADC çıkışıyla otobüsü doğrudan doğrudan sürüştürmekten kaçınmalıdır (bu yüzden yüksek hızlı ADC hala geleneksel üç durum çıkış modunun sebebini kullanır). Daha küçük bir kapasitet, yükleme sırasında taşınmak gereken yük miktarı azaltılır, bu yüzden üretilen gürültü doğal olarak azaltılır. Bu yüzden tasarımın çok önemli bir noktası, sürücü aygıtların tek, düşük kapasite giriş pipini oluşturmaya çalışmak ve aygıtın giriş sonu ADC'nin çıkış pipini kadar yakın olmalı.

Ancak bazı durumlarda, çıkış kapasitesini nedeniyle oluşan sesi yok etmek yeterli bir seviye düşürmek imkansız. Bu özellikle ADC'nin doğruluğu yüksek olduğunda, referens voltaj ve sinyal voltaj seviyeleri düşük ve örnek oranı yüksek. Bu zamanlar, ADC çıkış pipine olabildiği kadar yakın bir seride 47-100 ohm rezistencisini bağlamak faydalı, çünkü seri rezistenci ADC çıkış pipinin kapasitörünün a ğırlığını sınırlayabilir ve çipinin sesini azaltır. Görüntü 8.

Eğer seri dirençli ADC dijital çıkış kilisine mümkün olduğunca yaklaşmazsa, ADC ve seri dirençli arasındaki tahta-tahta kapasitesi artırır ve böylece orijinal sesinden daha yüksek sesi oluşturur. Aynı şekilde, analog-dijital dönüştürme cihazının doğruluğunu geliştirmekle, referens voltaj ve sinyal voltaj seviyesinin azaltması ve örnek oranının geliştirmesi daha çok durumda. Elbette, bu dijital yayım hatlarının toplam uzunluğunu azaltmaya çalışmalıyız.

Şekil 8: ADC çıkışındaki seri dirençliği çıkış kapasitesinin yüklenmesi ve yayılması nedeniyle sesi azaltır.

Tüm açıklama

Bütün sinyal taşıyan çizgiler iletişim çizgilerdir. Çizginin uzunluğu belirli bir eşiği a ştığında, sinyal bozukluğundan, zamanlama ayrılığından, çarpma ve sesden kaçırmak için çizgi bir transmis çizgi olarak tedavi edilmeli.

Sinyal frekansı arttığında, deri etkisi ve yaklaşık etkisi çizgi impedansının gerçek komponentini arttıracak. Diğer çizgiler transmis çizgisinden yakın ya da uzak olduğunda, transmis çizgisinin impedansı böyle değişecektir, bu yüzden transmis çizgisinin boyunca farklı bir impedans dağıtılmasına sebep olur. Bu yüzden, iletişim hattıyla nasıl uğraşılacağını sürüştürmek için çok önemlidir. Aynı şey dönüş uçağının dönüş yolu için doğru. Yüksek katı kapasiteleri çok önemlidir çünkü dağıtılmış kapasiteler tarafından yok edilmeyen yüksek frekans sinyal komponentlerinden geçebilirler.

Genelde, ADC sürücü devrelerin mantıklı tasarımı ve çıkış akışını azaltmak devreğin iç performansını zarar verecek sesi azaltmaya yardım eder.