Thiết kế điện tử - Thiết kế chống nhiễu PCB tốc độ cao dựa trên DSP

Giới thiệu

Với việc sử dụng rộng rãi DSP (Bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số), thiết kế bảng mạch PCB xử lý tín hiệu tốc độ cao dựa trên DSP đặc biệt quan trọng. Trong các hệ thống DSP, bộ vi xử lý DSP có thể hoạt động ở tần số lên đến hàng trăm MHz. Nó có thể dễ dàng bị nhiễu bởi các đường thiết lập lại, đường đứt giữa và đường điều khiển, công tắc mạch tích hợp, mạch chuyển đổi A/D có độ chính xác cao và các mạch chứa tín hiệu tương tự yếu; Do đó, để thiết kế và phát triển một hệ thống DSP ổn định và đáng tin cậy, thiết kế chống nhiễu là rất quan trọng.

1 Phân tích nhiễu hệ thống DSP

Đối với các hệ thống DSP, nhiễu chính đến từ các khía cạnh sau:

1. I/O kênh nhiễu. Nó đề cập đến sự can thiệp vào hệ thống thông qua các kênh phía trước và phía sau, chẳng hạn như liên kết thu thập dữ liệu của hệ thống DSP. Sự nhiễu chồng lên tín hiệu thông qua cảm biến, làm tăng lỗi thu thập dữ liệu. Trong liên kết đầu ra, nhiễu có thể làm tăng lỗi dữ liệu đầu ra hoặc thậm chí gây ra lỗi hoàn toàn dẫn đến sự cố hệ thống. Các thiết bị quang ghép có thể được sử dụng hợp lý để giảm nhiễu từ các kênh đầu vào và đầu ra, và nhiễu có thể được cô lập bằng cách sử dụng cảm biến và hệ thống chính DSP.

2. Gây nhiễu hệ thống điện. Nguồn gây nhiễu chính cho toàn bộ hệ thống DSP. Nguồn điện thêm tiếng ồn của nó vào nguồn điện trong khi cung cấp năng lượng cho hệ thống. Trong quá trình thiết kế mạch của chip nguồn, dây nguồn phải được tách ra.

3. nhiễu ghép bức xạ không gian. Khớp nối qua bức xạ thường được gọi là nhiễu xuyên âm. Crosstalk xảy ra trong trường điện từ được tạo ra khi dòng điện chạy qua dây dẫn, tạo ra dòng điện thoáng qua trong dây liền kề, gây biến dạng tín hiệu gần đó hoặc thậm chí sai. Cường độ của Crosstalk phụ thuộc vào kích thước hình học và khoảng cách tách của thiết bị và dây dẫn. Trong hệ thống dây DSP, khoảng cách giữa các đường tín hiệu càng lớn và gần với các đường mặt đất, thì việc giảm nhiễu xuyên âm càng hiệu quả.

2 Thiết kế PCB cho nguyên nhân gây nhiễu

Dưới đây cho thấy làm thế nào để giảm sự can thiệp khác nhau trong quá trình sản xuất PCB của hệ thống DSP.

2.1 Thiết kế nhiều lớp

Trong mạch kỹ thuật số tốc độ cao DSP, để cải thiện chất lượng tín hiệu, giảm độ khó của dây và tăng EMC của hệ thống, thường là thiết kế nhiều lớp. Thiết kế ngăn xếp có thể cung cấp đường dẫn trở lại ngắn nhất, giảm diện tích khớp nối và ngăn chặn nhiễu mô đun vi sai. Trong thiết kế xếp chồng lên nhau, sự phân bố của các lớp năng lượng đặc biệt và sự kết hợp chặt chẽ của các lớp năng lượng và sự kết hợp chặt chẽ của các lớp năng lượng có lợi cho việc ức chế nhiễu chế độ chung (sử dụng các mặt phẳng liền kề để giảm trở kháng AC của mặt phẳng năng lượng). Lấy bảng bốn tầng làm ví dụ minh họa sơ đồ thiết kế xếp chồng.

Có rất nhiều lợi thế khi áp dụng cấu trúc thiết kế PCB 4 lớp này. Có một lớp năng lượng bên dưới tầng trên cùng, nơi các chân nguồn của thành phần có thể được kết nối trực tiếp với nguồn điện mà không cần phải đi qua mặt đất. Các tín hiệu quan trọng được chọn ở tầng dưới cùng (tầng dưới cùng), làm cho không gian cáp tín hiệu quan trọng lớn hơn và các thiết bị được đặt càng nhiều càng tốt trên cùng một lớp.

2.2 Thiết kế layout

Để có được hiệu suất tối ưu của hệ thống DSP, bố cục của các thành phần là rất quan trọng. Đầu tiên đặt các thiết bị DSP, Flash, SRAM và CPLD, suy nghĩ cẩn thận về không gian cáp, sau đó đặt các IC khác theo nguyên tắc chức năng độc lập và cuối cùng là vị trí của các cổng I/O. Kết hợp với bố cục trên, xem xét kích thước PCB: nếu kích thước quá lớn, dòng in sẽ quá dài, trở kháng sẽ tăng, khả năng chống ồn sẽ giảm, chi phí bảng sẽ tăng; Nếu PCB quá nhỏ, tản nhiệt sẽ không tốt, không gian sẽ bị hạn chế và các đường liền kề rất dễ bị nhiễu. Do đó, thiết bị nên được lựa chọn theo nhu cầu thực tế, kết hợp với không gian cáp, tính toán sơ bộ kích thước của PCB. Khi bố trí hệ thống DSP, cần đặc biệt chú ý đến vị trí của các thiết bị sau.

(1) Bố trí tín hiệu tốc độ cao

Trong toàn bộ hệ thống DSP, các đường tín hiệu kỹ thuật số tốc độ cao chính nằm giữa DSP và Flash và SRAM, vì vậy khoảng cách giữa các thiết bị phải càng gần càng tốt và kết nối của chúng phải ngắn và trực tiếp càng tốt. Do đó, để giảm ảnh hưởng của đường truyền đến chất lượng tín hiệu, dấu vết tín hiệu tốc độ cao phải càng ngắn càng tốt. Ngoài ra, xem xét rằng nhiều chip DSP có tốc độ lên đến vài trăm MHz yêu cầu cuộn dây rắn (điều chỉnh độ trễ). Điều này sẽ được nhấn mạnh trong các đường dây bên dưới.

(2) Bố trí thiết bị digital-mode

Hầu hết các hệ thống DSP không có mạch chức năng duy nhất và sử dụng nhiều thiết bị kỹ thuật số CM0S và các bộ trộn digital-analog, vì vậy bố cục digital-analog nên được tách biệt. Các thiết bị tín hiệu analog được tập trung hết mức có thể để các khu vực độc lập thuộc tín hiệu analog có thể được vẽ ở giữa toàn bộ vùng kỹ thuật số để tránh nhiễu tín hiệu analog. Một số thiết bị lai kỹ thuật số tương tự, chẳng hạn như bộ chuyển đổi D/A, theo truyền thống được coi là thiết bị tương tự, được đặt trên mặt đất tương tự và cung cấp các vòng lặp kỹ thuật số để cho phép tiếng ồn kỹ thuật số trở lại nguồn tín hiệu, do đó làm giảm tác động của tiếng ồn kỹ thuật số trên mặt đất tương tự.

(3) Cách bố trí đồng hồ

Đối với đồng hồ, lựa chọn chip và tín hiệu xe buýt, hãy tránh xa cáp I/O và đầu nối càng xa càng tốt. Đầu vào đồng hồ của hệ thống DSP rất dễ bị nhiễu và việc xử lý của nó rất quan trọng. Luôn đảm bảo máy phát đồng hồ càng gần chip DSP càng tốt và giữ cho đường đồng hồ càng ngắn càng tốt. Vỏ của bộ dao động tinh thể đồng hồ được nối đất tốt nhất.

(4) Bố trí tách rời

Để giảm quá tải tức thời của điện áp trên nguồn cung cấp chip mạch tích hợp, tụ điện tách rời đã được thêm vào chip mạch tích hợp, có thể loại bỏ hiệu quả ảnh hưởng của burr đối với nguồn điện và giảm phản xạ của mạch điện đối với PCB. Việc bổ sung một tụ điện tách rời có thể bỏ qua tiếng ồn tần số cao của các thiết bị mạch tích hợp và cũng có thể được sử dụng như một tụ điện lưu trữ năng lượng để cung cấp và hấp thụ sạc và xả tức thời của năng lượng chuyển đổi cổng mạch tích hợp.

Trong hệ thống DSP, các tụ điện tách rời, chẳng hạn như DSP, SRAM, Flash, v.v., được đặt cho mỗi mạch tích hợp và được thêm vào giữa mỗi nguồn điện và mặt đất của chip, với sự chú ý đặc biệt đến các tụ điện tách rời càng gần thiết bị đầu cuối nguồn (cực nguồn) và chân thành phần IC càng tốt. Đảm bảo độ tinh khiết của dòng điện từ thiết bị đầu cuối nguồn (thiết bị đầu cuối nguồn) và IC và rút ngắn đường dẫn tiếng ồn càng nhiều càng tốt.

(5) Bố trí nguồn

Khi phát triển một hệ thống DSP, nguồn điện cần được xem xét cẩn thận. Vì một số chip nguồn tạo ra rất nhiều nhiệt, chúng nên được đặt ở vị trí thuận lợi cho việc tản nhiệt và cách xa các thành phần PCB khác. Bạn có thể sử dụng bộ tản nhiệt hoặc đặt bộ tản nhiệt bằng đồng bên dưới thiết bị. Hãy cẩn thận không đặt các thành phần nhiệt ở dưới cùng của bảng phát triển.