Johdatus sähkömagneettinen häiriö analogisessa ja RF-piirit

Sähkömagneettinen häiriö (EMI) on edelleen yksi korkean suorituskyvyn piirilevyn (PCB) suunnittelun sitkeimmistä haasteista, varsinkin kun herkät analogiset ja radiotaajuuspiirit jakavat saman levyn digitaali- tai virtapiirien kanssa. Jopa matalatkin suoritetut tai säteilytetyt EMI-signaalit voivat korruptoida matalan tason analogisia signaaleja, heikentää signaalin ja äänen suhdetta ja aiheuttaa ei-toivottuja vaihemelua tai profiileja päästöjä RF-vaiheissa. Toimintataajuudet kiipeävät gigahertsialueelle ja toimitusjännitteet kutistuvat, virhemarginaali kapenee dramaattisesti. Tässä artikkelissa hahmotellaan käytännöllisiä, kenttä-osoitteita EMIn minimoimiseksi sekasäiekoferreissä, perusmaastosta ja asettelutekniikoista edistyneeseen suodatukseen ja materiaalin valintaan.

Lähteiden ja liitäntömekanismien ymmärtäminen

EMI voi siirtyä piiriin kolmen ensisijaisen kytkentätilan kautta: johti, säteily ja induktiivinen tai kapasitiivinen lähialueen kytkentä. Digitaaliset kellot, kytkentäsäätimet ja nopeat databussit ovat yleisiä aluksen melun lähteitä. Niiden harmoniset aallot usein putoavat suoraan analogisten tai RF-piirien käyttökaistoihin. Lisäksi maatasoissa olevat virrat, vierekkäisten jälkien välinen ristikkäiskytkeytyminen ja kerrosten välinen loiskapasitanssi luovat tahattomia häiriöitä.

Herkkille analogisille piireille jopa mikrovoltit kytkettyä melua voivat ylittää virhebudjetin. RF-piireissä mikä tahansa valheellinen ääni passbandin sisällä voi hajottaa melun ja nostaa bittivirheen määrää. Ensimmäinen askel on tunnistaa kriittiset signaalireitit ja aggressiivisimmat melulähteet, sitten toteuttaa kerrostettu puolustus käyttäen eristämistä, suodattamista ja huolellista impedanssin hallintaa.

PCB-pino- ja maatasosuunnittelu

Jatkuvat maastokoneet

Perusta kaikki matala-EMI suunnittelu on kiinteä, rikkoutumaton maataso. Jatkuva taso tarjoaa alhaisimman mahdollisen paluun polku impedanssi, joka vähentää yhteisiä moodin virtoja ja tukahduttaa maaston pomppia. Sekalaisia-signaalin levyt, neljän kerroksen pino-up (signaali.ground. power.) on usein minimi hyväksyttävän suorituskyvyn. Maataso olisi sijoitettava vieressä kerroksessa kuljettaa kaikkein herkimpiä signaaleja. Vältä syöksyä tai jakaa maatasolle ellei aivan välttämätöntä; jos halkeamia lentokoneita tarvitaan, silta ne ferriittihelmet tai kapea jälki vain jos paluuvirran on ylitettävä.

Via Stitching ja maadoitus kilpien

Kun käytät suojatölkkejä tai vartiointi jälkiä, ompele ne maahan tasoon kautta välitetty enintään λ/20 välillä korkeimmalla taajuudella. Tämä estää kilven toimimasta resonanttiontelo ja varmistaa, että ulkoiset kentät ohjataan pois herkkiä solmuja. Samoin jokainen komponentti maatapin, erityisesti RFICs ja op-amps, pitäisi olla oma kautta suoraan maatasolle minimoida lois induktanssi.

Osan sijoitus ja jako

Melulähteiden alueellinen erottaminen

Place high-frequency digital circuits, oscillators, and switching power converters as far as possible from analog inputs and RF front-ends. A physical distance of at least 10 mm per 100 MHz of edge rate is a rough guideline. If board space is tight, insert a conductive barrier (copper pour or grounded via fence) between noisy and quiet sections. Partition the board into functional zones and route signals so that they never cross a zone boundary unless absolutely necessary.

Suojaus tölkit ja vartio renkaat

Herkkimmille RF-vaiheille (LNA:t, VCO:t, sekoittimet) suositellaan erillistä osastosuojausta. Suoja voi olla juotettu metallitölkki tai esimuokatut suojukset. Varmista, että kilpi on jatkuvassa kosketuksessa maatasoon useiden kautta. Analogisten piirien, kuten korkean resoluution ADC:t tai instrumenttivahvistimet, suojarengas kuparikerroksessa . ... voi upottaa hairahdusvirtoja ja vähentää kapasitiivista kytkentää.

Jäljitys ja jäljitys

Hallittu impedanssi ja mikrotrippi vs. Stripline

RF jälkiä on suunniteltava ohjattu-impedanssi siirtojohdot välttää heijastuksia ja säteilypäästöjä. Microstrip (signaali päällä, maataso alla) on yleinen, mutta säteilee enemmän kuin liuskalinja (signaali haudattu kahden maatason välillä).High-nopeiden differentiaaliparit, käyttää koplanaari aaltoopas maan (CPWG) rakenteita. Pidä kaikki RF jälkiä mahdollisimman lyhyitä ja suoria, erityisesti polku viimeisestä vahvistimesta antenniliitin.

Analogisten ja digitaalisten signaalien erottaminen

Kun ylitys on väistämätön, käytä 90-asteen risteystä (tai parempi, haudattu siirtymän kautta), jotta kytkentäalue on mahdollisimman pieni. Pidä analogiset jäljet poissa laudan reunoista, joissa reunakentät voivat säteillä. Digitaalisilla linjoilla sarjan päätevastukset ovat kuljettajan lähellä ja vähentävät harmonista energiaa.

Tehon luotettavuus ja irrottaminen

Paikallinen irrotettu tuotantomääristä

Jokaisella aktiivisella IC-laitteella on oltava oma irrotuskondensaattori mahdollisimman lähellä virtatankkia . Ihanteellisesti 1...2 mm:n sisällä. Käytä irtolastin kondensaattorin (1...10 μF) ja matalan ESL-keraamisen (100 pF-100 nF) yhdistelmää riippuen melun taajuudesta. RFIC-laitteissa on oltava ferriittihelmi tehosyötteessä, jotta korkeataajuinen melu voidaan estää pääsemästä vinoviivalle. Helmi on sijoitettava päätehotason ja IC:n paikallisen irtikytkentäkyvyn välille.

Tähtipisteen virranjakelu

Jos mahdollista, käytä analogisten osien tähtipiste- tai puu-topologia-tehojakaumaa. Tämä estää digitaalisten tai kytkentäpiirien syöttämisen analogiseen liitäntään.RF:n ja analogisen aineiston erityissäätimet lisäävät eristyskerroksen. Vältä yhden säätimen ja VCO:n välistä lähdön jakamista.

Suodatustekniikat

LC- ja RC-pienipass-suotimet

Signaalirei'illä yksinkertainen RC-pienipäästösuodatin ADC:n tai vahvistimen sisääntulossa voi vaimentaa korkeataajuista hashia. Katkaisutaajuus tulisi asettaa juuri signaalin enimmäiskaistanleveyden yläpuolelle. RF-linjojen osalta käytetään LC-suodattimia tai SAW-suodattimia, jotta tunnettujen interferenssikaistojen ulostulo voidaan tehdä. Huomioi suodattimen sisäänlaskuhäviö ja impedanssi täsmäävät .

Ferriittihelmet I/O-linjoilla

Jokainen kaapeli tai liitin, joka kuljettaa signaaleja pois päältä, voi säteillä tai poimia EMI:n. Aseta ferriittihelmiä kaikille ulkoisille I/O-linjoille . Analoginen, digitaalinen ja teho . Valitse helmiä, joiden impedanssihuippu on odotettavissa melutaajuudella (tyypillisesti 100 MHz-1 GHz). Erotuspareille (USB, LVDS) käytä tavallisia malleja, jotka eivät häiritse yksittäisten helmien tasapainoa.

Kaapelien ja liittimien maadoitus

Suojatuilla kaapeleilla on oltava suoja, joka on kiinnitetty alustan alustaan (tai tarkoitukseen varattuun puhtaaseen maahan) molemmissa päissä RF-suojausta varten, mutta analogisten signaalien osalta yksi päämaaliitäntä vastaanottimessa voi estää maasilmukoita. Sekamuotoisissa malleissa käytetään eristäviä muuntajia tai yleismuotosuodattimia maasilmukoiden katkaisemiseksi samalla kun säilytetään signaalin eheys. Liittimen kuoressa pitäisi olla pieni impedanssiyhteys maatasoon useiden kautta.

PCB-materiaalin valinta

Vakiossa FR-4 on korkea diffuusiokerroin ja epäjohdonmukainen dielektrinen vakio, joka muuttuu ongelmalliseksi yli 1 GHz:n. RF-piireissä käytetään laminaatteja, kuten Rogers 4003C tai 4350B, tai korkeataajuisia komposiitteja kuten Isola Astra MT77. Nämä materiaalit tarjoavat matalan tappion tangentin (0,002.004) ja vakaan Dk:n, mikä vähentää sekä signaalin vaimentumista että reunasidotun säteilyn alttiutta. Jos hinta on ongelma, käytetään hybridilevyjä, joissa käytetään digitaalisia kerroksia ja korkeataajuista RF-osiota, ja kiinnitetään erityistä huomiota siirtymiin ja mallintamiseen.

Simulaatio ja ennen vaatimustenmukaisuuden testausta

Täysiaaltoisten EM-simulaattoreiden (esim. Ansys HFSS, Keysight Momentum tai OpenEMS) avulla voidaan visualisoida nykyiset tiheydet ja säteilykentän kuviot jo suunnitteluvaiheessa. Ennen vaatimusten noudattamista taajuusanalysaattorilla ja lähialueen koetuksella voidaan tunnistaa kuumat kohteet, joissa suojaus tai suodatus on riittämätöntä. Monet ERI-ongelmat voidaan korjata sijoittelun, ferritoinnin tai kuparin aallonsäädön avulla ennen kuin levyn valmistus tapahtuu.

Päätelmät

Sähkömagneettisten häiriöiden vähentäminen herkissä analogisissa ja RF-piireissä vaatii kurinalaista, järjestelmätason lähestymistapaa, joka yhdistää maadoituksen, layoutin, komponentin valinnan, suodatuksen ja materiaalin valinnan. Sovelltamalla tässä kuvattuja tekniikoita . Jatkuvat maatasotasot, ohjattu-impedanssireitit, paikallinen irtikytkentä, asianmukainen suojaus ja perusteellinen simulointi . Insinöörit voivat johdonmukaisesti saavuttaa luotettavan suorituskyvyn myös tiheässä seka-signaaliympäristössä. Kutakin muotoilua tulisi käsitellä ainutlaatuisena haasteena, jota ohjaa sama perusfysiikka: matalan impedanssin paluureitit, minimaaliset silmukka-alueet ja kestävä eristäminen. Näiden periaatteiden huolellisella huomioonotolla EMIä voidaan hallita tehokkaasti, jolloin analogiset ja RF-piirit toimivat täydellä potentiaalillaan.

Lisätietoja saa []analogisista laitteista PCB-layout-ohjeista[][[]] [[]]] [[]]]]] ja [[][[]]]]]]][[[]].