電路設計 - 高頻PCB設計中的干擾分析及對策

在設計中 PCB板, 隨著頻率的迅速新增, 許多不同於低頻設計的干擾 PCB板 將出現. 此外, 隨著頻率的新增, 小型化與低成本的衝突 PCB板 變得越來越突出. 這些干擾正變得越來越複雜. 在實際研究中, 我們總結, 有四個主要干擾, 包括電源雜訊, 傳輸線干擾, 聯軸器, and electromagnetic interference (EMI). 通過分析各種干擾問題 高頻PCB, 結合工作實踐, 提出了一種有效的解決方案.

1.、電源雜訊

在 高頻電路, 電源雜訊對高頻訊號的影響尤為明顯. 因此, 第一個要求是電源低雜訊. 在這裡, 清潔的地面與清潔的電源一樣重要. 為什麼？? 功率特性如圖所示. 1. 明顯地, 電源有一定的阻抗, 阻抗分佈在整個電源上, 囙此，雜訊也會疊加在電源上. 然後我們應該盡可能降低電源的阻抗, 囙此，最好有一個專用的電源層和接地層. 在裡面 高頻電路 設計, 電源採用分層設計, 在大多數情况下，它比巴士的設計要好得多, 這樣回路就可以始終沿著阻抗最小的路徑. 此外, 電源板必須為PCB上所有生成和接收的訊號提供訊號回路, 使訊號回路最小化, 從而降低噪音, 這是低頻電路設計者經常忽視的.

Figure 1 Power supply characteristics

There are several ways to eliminate power supply noise in PCB design.

1、注意板上的通孔：通孔使電源層需要蝕刻開孔，為通孔留出穿過空間。 如果功率層開度過大，必然會影響訊號環路，訊號被迫旁路，環路面積增大，雜訊增大。 同時，如果一些訊號線集中在開口附近並共亯該環路，則公共阻抗將導致串擾。 如圖2所示。

Figure 2 Common path of bypass signal circuit

2. 連接線需要足够的地線：每個訊號都需要有自己的專用訊號回路, 訊號和環路的環路面積應盡可能小, 也就是說, 訊號和回路應平行.

3、類比電源和數位電源的電源應分開：高頻設備一般對數位雜訊非常敏感，囙此應在電源入口處將兩者分開並連接在一起。 如果訊號需要穿過類比和數位部分，可以在交叉處放置一個環路，以减少環路面積。 訊號回路中使用的數位和類比之間的交叉如圖3所示。

圖3訊號回路的數位和類比交叉

4. 避免不同層之間的獨立電源重疊：否則電路雜訊很容易通過寄生電容耦合.

5、隔離敏感元件：如PLL。

6、放置電源線：為了减少訊號回路，將電源線放置在訊號線的邊緣以降低雜訊，如圖4所示。

圖4將電源線置於訊號線邊緣

2、輸電線路

PCB中只有兩種可能的傳輸線：帶狀線和微波線。 傳輸線最大的問題是反射。 反射將導致許多問題。 例如，負載訊號將是原始訊號和回波訊號的疊加，這新增了訊號分析的難度； 反射會引起回波損耗（回波損耗），其對訊號的影響與加性雜訊干擾的影響一樣嚴重：

1、反射回信號源的訊號會新增系統雜訊，使接收機更難區分雜訊和訊號；

2、任何反射訊號基本上都會降低訊號質量，改變輸入信號的形狀。 原則上，解決方案主要是阻抗匹配（例如，互連阻抗應與系統的阻抗非常匹配），但有時阻抗計算比較麻煩，可以參考一些傳輸線阻抗計算軟件。

PCB設計中消除傳輸線干擾的方法如下：

（A）避免傳輸線阻抗不連續。 阻抗不連續的點是傳輸線發生突變的點，如直角、過孔等，應儘量避免。 方法是：避免軌跡的直角，儘量走45度角或弧度，大的彎曲是可以的； 使用盡可能少的過孔，因為每個過孔都是阻抗不連續點，如圖5所示； 外層訊號避免通過內層，反之亦然。

Figure 5 Methods to eliminate transmission line interference

(B) Do not use stubs. 因為任何存根都是雜訊源. 如果短線短, 可在傳輸線末端終止； 如果存根線很長, 主輸電線將用作電源, 這將導致較大的反射並使問題複雜化, 囙此不建議使用.

3、聯軸器

1、共阻抗耦合：共阻抗耦合是一個共同的耦合通道，即干擾源與被干擾設備經常共用某些導體（如回路電源、母線、公共接地等），如圖6所示。

Figure 6 Common impedance coupling

On this channel, Ic下降導致串聯電流回路中產生共模電壓, 這會影響接收器.

2.場共模耦合將導致輻射源在受干擾電路和公共基準面形成的回路上產生共模電壓。 如果磁場占主導地位，則串聯接地回路中產生的共模電壓值為Vcm=-（B/t）*面積（B=磁感應強度的變化）。 如果是電磁場，則已知其電場值，其感應電壓：Vcm=（L*h*F*E）/48，該公式適用於L（m）=150MHz或以下，超過此限值，最大感應電壓的計算可簡化為：Vcm=2*h*E。

3. 差模場耦合：是指通過導線對或導線在 電路板 及其迴圈. 如果盡可能靠近兩根電線. 這種耦合將大大减少, 囙此，可以將兩根電線纏繞在一起以减少干擾.

4、線間耦合（串擾）會使任何一條線等於並聯電路之間的不良耦合，這將嚴重損害系統的效能。 其類型可分為電容性串擾和電感性串擾。 前者是因為線之間的寄生電容通過電流注入在耦合到雜訊接收線的雜訊源上產生雜訊； 後者可以被認為是不良寄生變壓器初級和次級之間的訊號耦合。 感應串擾的大小取決於兩個環路的接近程度、環路面積的大小以及受影響負載的阻抗。

5、電源線耦合：是指交流或直流電源線受到電磁干擾後，電源線將這些干擾傳輸給其他設備。

有幾種方法可以消除PCB設計中的串擾：

1、隨著負載阻抗的新增，這兩種類型的串擾都會新增，囙此應對串擾引起的干擾敏感的訊號線進行適當的端接。

2、盡可能增大訊號線之間的距離，有效减少電容性串擾。 執行接地層管理、佈線之間的間距（例如，隔離有源訊號線和地線，尤其是具有過渡狀態的訊號線和地線之間），並减少引線電感。

3、在相鄰訊號線之間插入地線也可以有效减少電容性串擾。 該接地線需要每隔1/4波長接地。

4、對於感應串擾，應盡可能减少環路面積，如果允許，應消除該環路。

5、避免訊號共亯回路。

6、注重信號完整性：設計人員必須在焊接過程中實施端接，以解决信號完整性問題。 採用這種方法的設計者可以關注遮罩銅箔的微帶長度，以獲得良好的信號完整性效能。 對於在通信結構中使用密集連接器的系統，設計者可以使用PCB進行端接。

4、電磁干擾

隨著速度的提高，電磁干擾將變得越來越嚴重，並表現在許多方面（如互連處的電磁干擾）。 高速設備對此特別敏感。 囙此，它們將接收高速虛假訊號，而低速設備將忽略此類虛假訊號。

有幾種方法可以消除PCB設計中的電磁干擾：

1、减少環路：每個環路相當於一個天線，囙此我們需要最小化環路的數量、環路的面積和環路的天線效果。 確保訊號在任意兩點只有一條環路，避免人為環路，並嘗試使用電源層。

2、濾波：濾波可用於减少電源線和訊號線上的EMI。 有3種方法：去耦電容器、EMI濾波器和磁性元件。 EMI濾波器如圖7所示。

Figure 7 Types of filters

3. 遮罩. 由於空間問題和許多討論阻塞的文章, 我不會詳細介紹他們.

4、儘量降低高頻設備的速度。

5. 新增 PCB板 可防止靠近板的傳輸線等高頻部分向外輻射； 新增 PCB板 最小化微帶線的厚度可以防止電磁線溢出, 它還可以防止輻射 .

在討論的這一點上, 我們可以得出這樣的結論 高頻PCB設計, 我們應遵循以下原則：

1、電源和地面的統一性和穩定性。

仔細佈線和正確端接可以消除反射。

仔細佈線和正確端接可以减少電容和電感串擾。

4、必須抑制雜訊以滿足EMC要求。