Investigación sobre antiinterferencia de PCB de alta frecuencia
En el diseño de placas de PCB, a medida que la frecuencia aumenta rápidamente, habrá muchas interferencias que son diferentes del diseño de las placas de PCB de baja frecuencia. Además, a medida que aumenta la frecuencia, la contradicción entre la miniaturización y el bajo costo de las placas de PCB se ha vuelto cada vez más prominente. Estas perturbaciones son cada vez más complicadas. En la investigación real, concluimos que hay cuatro interferencias principales, incluido el ruido de la fuente de alimentación, la interferencia de la línea de transmisión, el acoplamiento y la interferencia electromagnética (EMI). A través del análisis de varios problemas de interferencia de PCB de alta frecuencia, combinados con la práctica en el trabajo, se propone una solución efectiva.
Ruido de la fuente de alimentación en
Circuitos de alta frecuencia, el ruido de la fuente de alimentación tiene un impacto particularmente obvio en las señales de alta frecuencia. Por lo tanto, el primer requisito es que la fuente de alimentación sea de bajo nivel de ruido. Aquí, un terreno limpio es tan importante como una fuente de alimentación limpia. ¿Por qué? Las características de la fuente de alimentación se muestran en la Figura 1. Obviamente, la fuente de alimentación tiene una cierta impedancia, y la impedancia se distribuye en toda la fuente de alimentación, por lo tanto, el ruido también se superpondrá a la fuente de alimentación. Entonces debemos reducir la impedancia de la fuente de alimentación tanto como sea posible, por lo que es mejor tener una capa de potencia dedicada y una capa de tierra. En el diseño de circuitos de alta frecuencia, la fuente de alimentación está diseñada en forma de capas, y en la mayoría de los casos es mucho mejor que el diseño en forma de bus, de modo que el bucle siempre puede seguir el camino con la menor impedancia. Además, la placa de alimentación tiene que proporcionar un bucle de señal para todas las señales generadas y recibidas en la PCB, de modo que el bucle de señal se pueda minimizar, reduciendo así el ruido, que a menudo es pasado por alto por los diseñadores de circuitos de baja frecuencia.
Hay varias maneras de eliminar el ruido de la fuente de alimentación en el diseño de PCB.
1. Preste atención a los orificios pasantes en el tablero: los orificios pasantes hacen que la capa de potencia necesite grabar aberturas para dejar espacio para que pasen los orificios pasantes. Si la apertura de la capa de alimentación es demasiado grande, inevitablemente afectará el bucle de señal, la señal se ve obligada a desviarse, el área del bucle aumenta y el ruido aumenta. Al mismo tiempo, si algunas líneas de señal se concentran cerca de la abertura y comparten este bucle, la impedancia común causará diafonía.
2. Los cables de conexión necesitan suficientes cables de tierra: cada señal debe tener su propio bucle de señal patentado, y el área de bucle de ?? La señal y el bucle deben ser lo más pequeños posible, es decir, la señal y el bucle deben ser paralelos.
3. La fuente de alimentación de la fuente de alimentación analógica y digital debe estar separada: los dispositivos de alta frecuencia son generalmente muy sensibles al ruido digital, por lo que los dos deben separarse y conectarse entre sí en la entrada de la fuente de alimentación. Si la señal necesita cruzar las partes analógica y digital, se puede colocar un bucle en el cruce para reducir el área del bucle.
4. Evite la superposición de fuentes de alimentación separadas entre diferentes capas: de lo contrario, el ruido del circuito se acopla fácilmente a través de la capacitancia parásita.
5. Aísle los componentes sensibles: como PLL.
6. Coloque la línea eléctrica: Para reducir el bucle de señal, reduzca el ruido colocando la línea eléctrica en el borde de la línea de señal
Investigación antiinterferente de PCB de alta frecuencia
Solo hay dos líneas de transmisión posibles en PCB: línea de tira y línea de microondas. El mayor problema de la línea de transmisión es la reflexión. La reflexión causará muchos problemas. Por ejemplo, la señal de carga será la señal original y la señal de eco. La superposición aumenta la dificultad del análisis de señales; La reflexión causará pérdida de retorno (pérdida de retorno), y su impacto en la señal es tan grave como el impacto de la interferencia de ruido aditivo:
1. La señal reflejada de vuelta a la fuente de señal aumentará el ruido del sistema y hará que la recepción Es más difícil para la máquina distinguir el ruido de la señal;
2. Cualquier señal reflejada básicamente degradará la calidad de la señal y cambiará la forma de la señal de entrada. En términos generales, la solución es principalmente la adaptación de impedancia (por ejemplo, la impedancia de interconexión debe coincidir muy bien con la impedancia del sistema), pero a veces el cálculo de la impedancia es más problemático. Puede consultar algún software de cálculo de impedancia de línea de transmisión.
Los métodos para eliminar la interferencia de la línea de transmisión en el diseño de PCB son los siguientes:
a) Evitar discontinuidades de impedancia de la línea de transmisión. El punto donde la impedancia es discontinua es el punto donde la línea de transmisión tiene cambios bruscos, como curvas rectas, vías, etc., que deben evitarse tanto como sea posible. Los métodos son: evitar las esquinas rectas de la traza, tratar de ir por ángulos o arcos de 45 ° tanto como sea posible, y también son posibles curvas grandes; use vias lo menos posible, porque cada vía es un punto de discontinuidad de impedancia, y la señal de la capa externa no debe pasar a través de la capa interna, y viceversa.
(b) No utilice líneas de estaca. Porque cualquier talón es una fuente de ruido. Si la línea auxiliar es corta, puede terminarla al final de la línea de transmisión; Si la línea de stub es larga, se utilizará la línea de transmisión principal como fuente, lo que provocará grandes reflexiones y complicará el problema, por lo que no se recomienda utilizarla.
Acoplamiento
1. Acoplamiento de impedancia común: Es un canal de acoplamiento común, es decir, la fuente de interferencia y el dispositivo interferido a menudo comparten ciertos conductores (como potencia de bucle, bus, tierra común, etc.).
2. El acoplamiento de modo común de campo hará que la fuente de radiación cause voltaje de modo común en el bucle formado por el circuito interferido y el plano de referencia común. Si el campo magnético es dominante, el valor del voltaje de modo común generado en el bucle de tierra en serie es Vcm=-(△B/△t)*area (△B=cambio en la intensidad de la inducción magnética). Si es un campo electromagnético, se sabe Cuando su valor de campo eléctrico, su voltaje inducido: Vcm = (L * h * F * E) / 48, la fórmula es aplicable a L (m) = 150MHz o menos, más allá de este límite, el cálculo del voltaje inducido máximo se puede simplificar como: Vcm = 2 * h * E.
3. Acoplamiento de campo de modo diferencial: se refiere a la radiación directa inducida y recibida por el par de cables o el cable en la placa de circuito y su bucle. Si está lo más cerca posible de los dos cables. Este acoplamiento se reducirá considerablemente, por lo que se pueden torcer dos cables para reducir la interferencia.
4. El acoplamiento entre líneas (diafonía) puede hacer que cualquier línea sea igual al acoplamiento indeseable entre circuitos paralelos, lo que dañará seriamente el rendimiento del sistema. Sus tipos se pueden dividir en diafonía capacitiva y diafonía inductiva. El primero se debe a que la capacitancia parásita entre las líneas hace que el ruido en la fuente de ruido se acople a la línea receptora de ruido a través de la inyección de corriente; Este último puede imaginarse como el acoplamiento de la señal entre las etapas primaria y secundaria de un transformador parásito indeseable. La magnitud de la diafonía inductiva depende de la proximidad de los dos bucles y del tamaño del área del bucle, así como de la impedancia de la carga afectada.
5. Acoplamiento de líneas eléctricas: se refiere a que después de que las líneas eléctricas de CA o CC están sujetas a interferencias electromagnéticas, las líneas eléctricas transmiten estas interferencias a otros dispositivos.
Hay varias maneras de eliminar la diafonía en el diseño de PCB:
1. Ambos tipos de diafonía aumentan con el aumento de la impedancia de carga, por lo que las líneas de señal que son sensibles a la interferencia causada por la diafonía deben terminarse correctamente.
2. Aumente la distancia entre las líneas de señal tanto como sea posible para reducir eficazmente la diafonía capacitiva. Llevar a cabo la gestión de la capa de tierra, hacer espacio entre el cableado (por ejemplo, aislar las líneas de señal activas y los cables de tierra, especialmente entre las líneas de señal que tienen estados de transición y tierra) y reducir la inductancia del cable.
3. La inserción de un cable de tierra entre los cables de señal adyacentes también puede reducir eficazmente la diafonía capacitiva. Este cable de tierra debe conectarse a tierra cada 1/4 de longitud de onda.
4. Para la diafonía inductiva, el área del bucle debe reducirse tanto como sea posible, y si se permite, este bucle debe eliminarse.
5. Evite los bucles de intercambio de señales.
6. Concéntrese en la integridad de la señal: El diseñador debe implementar la terminación durante el proceso de soldadura para resolver la integridad de la señal. Los diseñadores que adoptan este método pueden centrarse en la longitud de la microtira de la lámina de cobre de protección para obtener un buen rendimiento de integridad de la señal. Para los sistemas que utilizan conectores densos en la estructura de comunicación, el diseñador puede utilizar una PCB para la terminación.
Interferencia electromagnética
A medida que aumenta la velocidad, EMI se volverá cada vez más grave y se manifestará en muchos aspectos (como la interferencia electromagnética en la interconexión), los dispositivos de alta velocidad son particularmente sensibles a esto, recibirá una señal falsa de alta velocidad y los dispositivos de baja velocidad ignorarán tales señales falsas.
Hay varias maneras de eliminar la interferencia electromagnética en el diseño de PCB:
1. Reducir bucles: cada bucle es equivalente a una antena, por lo que necesitamos minimizar el número de bucles, el área del bucle y el efecto de antena de bucle. Asegúrese de que la señal tenga solo una ruta de bucle en dos puntos cualesquiera, evite los bucles artificiales e intente usar la capa de potencia.
2. Filtrado: El filtrado se puede utilizar para reducir la EMI tanto en la línea eléctrica como en la línea de señal. Hay tres métodos: condensadores de desacoplamiento, filtros EMI y componentes magnéticos.
3. Blindaje. Debido a problemas de espacio y muchos artículos que discuten el bloqueo, no los presentaré en detalle.
4. Intente reducir la velocidad de los dispositivos de alta frecuencia.
5. El aumento de la constante dieléctrica de la placa PCB puede evitar que las partes de alta frecuencia, como la línea de transmisión cercana a la placa, se irradien hacia afuera; aumentar el grosor de la placa PCB y minimizar el grosor de la línea de microstrip puede evitar que el cable electromagnético se desborde y también puede prevenir la radiación.
En este punto de la discusión, podemos resumir que en el diseño de PCB de alta frecuencia, debemos seguir los siguientes principios:
1. El poder y la tierra están unificados y estables.
2. El cableado cuidadoso y la terminación adecuada pueden eliminar los reflejos.
3. El cableado cuidadoso y la terminación adecuada pueden reducir la diafonía capacitiva e inductiva.
4. Es necesario suprimir el ruido para cumplir con los requisitos de EMC.
Ruido de la fuente de alimentación en
Circuitos de alta frecuencia, el ruido de la fuente de alimentación tiene un impacto particularmente obvio en las señales de alta frecuencia. Por lo tanto, el primer requisito es que la fuente de alimentación sea de bajo nivel de ruido. Aquí, un terreno limpio es tan importante como una fuente de alimentación limpia. ¿Por qué? Las características de la fuente de alimentación se muestran en la Figura 1. Obviamente, la fuente de alimentación tiene una cierta impedancia, y la impedancia se distribuye en toda la fuente de alimentación, por lo tanto, el ruido también se superpondrá a la fuente de alimentación. Entonces debemos reducir la impedancia de la fuente de alimentación tanto como sea posible, por lo que es mejor tener una capa de potencia dedicada y una capa de tierra. En el diseño de circuitos de alta frecuencia, la fuente de alimentación está diseñada en forma de capas, y en la mayoría de los casos es mucho mejor que el diseño en forma de bus, de modo que el bucle siempre puede seguir el camino con la menor impedancia. Además, la placa de alimentación tiene que proporcionar un bucle de señal para todas las señales generadas y recibidas en la PCB, de modo que el bucle de señal se pueda minimizar, reduciendo así el ruido, que a menudo es pasado por alto por los diseñadores de circuitos de baja frecuencia.
Hay varias maneras de eliminar el ruido de la fuente de alimentación en el diseño de PCB.
1. Preste atención a los orificios pasantes en el tablero: los orificios pasantes hacen que la capa de potencia necesite grabar aberturas para dejar espacio para que pasen los orificios pasantes. Si la apertura de la capa de alimentación es demasiado grande, inevitablemente afectará el bucle de señal, la señal se ve obligada a desviarse, el área del bucle aumenta y el ruido aumenta. Al mismo tiempo, si algunas líneas de señal se concentran cerca de la abertura y comparten este bucle, la impedancia común causará diafonía.
2. Los cables de conexión necesitan suficientes cables de tierra: cada señal debe tener su propio bucle de señal patentado, y el área de bucle de ?? La señal y el bucle deben ser lo más pequeños posible, es decir, la señal y el bucle deben ser paralelos.
3. La fuente de alimentación de la fuente de alimentación analógica y digital debe estar separada: los dispositivos de alta frecuencia son generalmente muy sensibles al ruido digital, por lo que los dos deben separarse y conectarse entre sí en la entrada de la fuente de alimentación. Si la señal necesita cruzar las partes analógica y digital, se puede colocar un bucle en el cruce para reducir el área del bucle.
4. Evite la superposición de fuentes de alimentación separadas entre diferentes capas: de lo contrario, el ruido del circuito se acopla fácilmente a través de la capacitancia parásita.
5. Aísle los componentes sensibles: como PLL.
6. Coloque la línea eléctrica: Para reducir el bucle de señal, reduzca el ruido colocando la línea eléctrica en el borde de la línea de señal
Investigación antiinterferente de PCB de alta frecuencia
Solo hay dos líneas de transmisión posibles en PCB: línea de tira y línea de microondas. El mayor problema de la línea de transmisión es la reflexión. La reflexión causará muchos problemas. Por ejemplo, la señal de carga será la señal original y la señal de eco. La superposición aumenta la dificultad del análisis de señales; La reflexión causará pérdida de retorno (pérdida de retorno), y su impacto en la señal es tan grave como el impacto de la interferencia de ruido aditivo:
1. La señal reflejada de vuelta a la fuente de señal aumentará el ruido del sistema y hará que la recepción Es más difícil para la máquina distinguir el ruido de la señal;
2. Cualquier señal reflejada básicamente degradará la calidad de la señal y cambiará la forma de la señal de entrada. En términos generales, la solución es principalmente la adaptación de impedancia (por ejemplo, la impedancia de interconexión debe coincidir muy bien con la impedancia del sistema), pero a veces el cálculo de la impedancia es más problemático. Puede consultar algún software de cálculo de impedancia de línea de transmisión.
Los métodos para eliminar la interferencia de la línea de transmisión en el diseño de PCB son los siguientes:
a) Evitar discontinuidades de impedancia de la línea de transmisión. El punto donde la impedancia es discontinua es el punto donde la línea de transmisión tiene cambios bruscos, como curvas rectas, vías, etc., que deben evitarse tanto como sea posible. Los métodos son: evitar las esquinas rectas de la traza, tratar de ir por ángulos o arcos de 45 ° tanto como sea posible, y también son posibles curvas grandes; use vias lo menos posible, porque cada vía es un punto de discontinuidad de impedancia, y la señal de la capa externa no debe pasar a través de la capa interna, y viceversa.
(b) No utilice líneas de estaca. Porque cualquier talón es una fuente de ruido. Si la línea auxiliar es corta, puede terminarla al final de la línea de transmisión; Si la línea de stub es larga, se utilizará la línea de transmisión principal como fuente, lo que provocará grandes reflexiones y complicará el problema, por lo que no se recomienda utilizarla.
Acoplamiento
1. Acoplamiento de impedancia común: Es un canal de acoplamiento común, es decir, la fuente de interferencia y el dispositivo interferido a menudo comparten ciertos conductores (como potencia de bucle, bus, tierra común, etc.).
2. El acoplamiento de modo común de campo hará que la fuente de radiación cause voltaje de modo común en el bucle formado por el circuito interferido y el plano de referencia común. Si el campo magnético es dominante, el valor del voltaje de modo común generado en el bucle de tierra en serie es Vcm=-(△B/△t)*area (△B=cambio en la intensidad de la inducción magnética). Si es un campo electromagnético, se sabe Cuando su valor de campo eléctrico, su voltaje inducido: Vcm = (L * h * F * E) / 48, la fórmula es aplicable a L (m) = 150MHz o menos, más allá de este límite, el cálculo del voltaje inducido máximo se puede simplificar como: Vcm = 2 * h * E.
3. Acoplamiento de campo de modo diferencial: se refiere a la radiación directa inducida y recibida por el par de cables o el cable en la placa de circuito y su bucle. Si está lo más cerca posible de los dos cables. Este acoplamiento se reducirá considerablemente, por lo que se pueden torcer dos cables para reducir la interferencia.
4. El acoplamiento entre líneas (diafonía) puede hacer que cualquier línea sea igual al acoplamiento indeseable entre circuitos paralelos, lo que dañará seriamente el rendimiento del sistema. Sus tipos se pueden dividir en diafonía capacitiva y diafonía inductiva. El primero se debe a que la capacitancia parásita entre las líneas hace que el ruido en la fuente de ruido se acople a la línea receptora de ruido a través de la inyección de corriente; Este último puede imaginarse como el acoplamiento de la señal entre las etapas primaria y secundaria de un transformador parásito indeseable. La magnitud de la diafonía inductiva depende de la proximidad de los dos bucles y del tamaño del área del bucle, así como de la impedancia de la carga afectada.
5. Acoplamiento de líneas eléctricas: se refiere a que después de que las líneas eléctricas de CA o CC están sujetas a interferencias electromagnéticas, las líneas eléctricas transmiten estas interferencias a otros dispositivos.
Hay varias maneras de eliminar la diafonía en el diseño de PCB:
1. Ambos tipos de diafonía aumentan con el aumento de la impedancia de carga, por lo que las líneas de señal que son sensibles a la interferencia causada por la diafonía deben terminarse correctamente.
2. Aumente la distancia entre las líneas de señal tanto como sea posible para reducir eficazmente la diafonía capacitiva. Llevar a cabo la gestión de la capa de tierra, hacer espacio entre el cableado (por ejemplo, aislar las líneas de señal activas y los cables de tierra, especialmente entre las líneas de señal que tienen estados de transición y tierra) y reducir la inductancia del cable.
3. La inserción de un cable de tierra entre los cables de señal adyacentes también puede reducir eficazmente la diafonía capacitiva. Este cable de tierra debe conectarse a tierra cada 1/4 de longitud de onda.
4. Para la diafonía inductiva, el área del bucle debe reducirse tanto como sea posible, y si se permite, este bucle debe eliminarse.
5. Evite los bucles de intercambio de señales.
6. Concéntrese en la integridad de la señal: El diseñador debe implementar la terminación durante el proceso de soldadura para resolver la integridad de la señal. Los diseñadores que adoptan este método pueden centrarse en la longitud de la microtira de la lámina de cobre de protección para obtener un buen rendimiento de integridad de la señal. Para los sistemas que utilizan conectores densos en la estructura de comunicación, el diseñador puede utilizar una PCB para la terminación.
Interferencia electromagnética
A medida que aumenta la velocidad, EMI se volverá cada vez más grave y se manifestará en muchos aspectos (como la interferencia electromagnética en la interconexión), los dispositivos de alta velocidad son particularmente sensibles a esto, recibirá una señal falsa de alta velocidad y los dispositivos de baja velocidad ignorarán tales señales falsas.
Hay varias maneras de eliminar la interferencia electromagnética en el diseño de PCB:
1. Reducir bucles: cada bucle es equivalente a una antena, por lo que necesitamos minimizar el número de bucles, el área del bucle y el efecto de antena de bucle. Asegúrese de que la señal tenga solo una ruta de bucle en dos puntos cualesquiera, evite los bucles artificiales e intente usar la capa de potencia.
2. Filtrado: El filtrado se puede utilizar para reducir la EMI tanto en la línea eléctrica como en la línea de señal. Hay tres métodos: condensadores de desacoplamiento, filtros EMI y componentes magnéticos.
3. Blindaje. Debido a problemas de espacio y muchos artículos que discuten el bloqueo, no los presentaré en detalle.
4. Intente reducir la velocidad de los dispositivos de alta frecuencia.
5. El aumento de la constante dieléctrica de la placa PCB puede evitar que las partes de alta frecuencia, como la línea de transmisión cercana a la placa, se irradien hacia afuera; aumentar el grosor de la placa PCB y minimizar el grosor de la línea de microstrip puede evitar que el cable electromagnético se desborde y también puede prevenir la radiación.
En este punto de la discusión, podemos resumir que en el diseño de PCB de alta frecuencia, debemos seguir los siguientes principios:
1. El poder y la tierra están unificados y estables.
2. El cableado cuidadoso y la terminación adecuada pueden eliminar los reflejos.
3. El cableado cuidadoso y la terminación adecuada pueden reducir la diafonía capacitiva e inductiva.
4. Es necesario suprimir el ruido para cumplir con los requisitos de EMC.