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एनालॉग और आरएफ सर्किट में विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप का परिचय
विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप (EMI) उच्च प्रदर्शन मुद्रित सर्किट बोर्ड (PCB) डिजाइन में सबसे लगातार चुनौतियों में से एक है, खासकर जब संवेदनशील एनालॉग और रेडियो आवृत्ति (RF) सर्किट डिजिटल या पावर सर्किटरी के साथ एक ही बोर्ड साझा करते हैं। यहां तक कि संचालित या विकिरणित ईएमआई के निम्न स्तर कम स्तर के अनुरूप संकेत, संकेत-टू-शोर अनुपात को कम कर सकते हैं, और अवांछित चरण शोर या RF चरणों में शानदार उत्सर्जन का कारण बन सकते हैं। चूंकि ऑपरेटिंग आवृत्तियां गीगाहर्ट्ज रेंज में चढ़ती हैं और आपूर्ति वोल्टेज सिकुड़ती हैं, तो नाटकीय रूप से त्रुटि के लिए मार्जिन। यह लेख मिश्रित संकेतन में ईएमआई को कम करने के लिए व्यावहारिक, क्षेत्र-प्रेरित रणनीतियों को रेखांकित करता है जो जमीनी लेआउट के आधार पर आधारित है।
स्रोत और युग्मन तंत्र को समझना
ईएमआई तीन प्राथमिक युग्मन मोड के माध्यम से एक सर्किट में प्रवेश कर सकता है: आयोजित, विकिरणित और आगमनात्मक या कैपेसिटिव निकट क्षेत्र युग्मन। डिजिटल घड़ियों, स्विचिंग नियामकों, और उच्च गति डेटा बसों पर आम शोर स्रोतों होते हैं। उनके हार्मोनिक्स अक्सर एनालॉग या आरएफ सर्किट के ऑपरेटिंग बैंड में सीधे गिर जाते हैं। इसके अतिरिक्त, जमीन के विमानों में धाराओं को वापस लौटाते हैं, आसन्न निशानों के बीच क्रॉसटॉक करते हैं, और परतों के बीच परजीवी समाई हस्तक्षेप के लिए अप्रयुक्त मार्ग बनाते हैं। इन तंत्रों का एक गहन ग्रास अक्सर शमन तकनीकों का चयन करने से पहले आवश्यक है।
संवेदनशील एनालॉग सर्किट के लिए, यहां तक कि युग्मित शोर के माइक्रोवोल्ट त्रुटि बजट से अधिक हो सकते हैं। RF सर्किट में, पासबैंड के भीतर कोई भी शानदार स्वर शोर के आंकड़े को विकृत कर सकता है और बिट त्रुटि दर को बढ़ा सकता है। पहला कदम महत्वपूर्ण संकेत पथ और सबसे आक्रामक शोर स्रोतों की पहचान करना है, फिर अलगाव, फ़िल्टरिंग और सावधानीपूर्वक प्रतिबाधा नियंत्रण का उपयोग करके एक स्तरित रक्षा को लागू करना है।
पीसीबी स्टैक-अप और ग्राउंड प्लेन डिजाइन
सतत ग्राउंड प्लान
किसी भी कम ईएमआई डिजाइन की नींव एक ठोस, अटूट ग्राउंड प्लेन है। एक निरंतर विमान न्यूनतम संभव वापसी पथ प्रतिबाधा प्रदान करता है, जो सामान्य मोड धारा धाराओं को कम करता है और जमीन उछाल को दबा देता है। मिश्रित संकेत बोर्डों के लिए, चार परत स्टैक-अप (सिग्नल-ग्राउंड-पावर-सिग्नल) अक्सर स्वीकार्य प्रदर्शन के लिए न्यूनतम है। जमीन के विमान को सबसे संवेदनशील संकेतों को ले जाने वाली परत के निकट रखा जाना चाहिए। जमीन के विमान को पूरी तरह से आवश्यक होने तक स्लॉटिंग या विभाजित करने से बचें; यदि विभाजित विमानों की आवश्यकता होती है, तो उन्हें फेराइट मोती या एक संकीर्ण निशान के साथ पुल करें जहां रिटर्न धाराओं को पार करना चाहिए।
Via Stitching and ग्राउंडिंग of शील्ड बाड़
जब परिरक्षण डिब्बे या गार्ड निशान का उपयोग करते हैं, तो उन्हें जमीन के समतल पर सिलाई करते हैं, जिसमें वायस ने ब्याज की उच्चतम आवृत्ति के अलावा λ/20 से अधिक नहीं जगह ली है। यह ढाल को एक प्रतिध्वनि गुहा के रूप में कार्य करने से रोकता है और यह सुनिश्चित करता है कि बाहरी क्षेत्र संवेदनशील नोड्स से दूर हो जाते हैं। इसी तरह, प्रत्येक घटक ग्राउंड पिन, विशेष रूप से RFIC और op-amps पर, पैरासिटिक प्रवेश को कम करने के लिए सीधे जमीन के विमान के माध्यम से अपना खुद का होना चाहिए।
घटक प्लेसमेंट और विभाजन
ध्वनि स्रोतों का स्थानिक पृथक्करण
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.
शील्डिंग कैन और गार्ड रिंग
सबसे संवेदनशील आरएफ चरणों (LNAs, VCOs, मिक्सर) के लिए, व्यक्तिगत कम्पार्टमेंटल परिरक्षण की सिफारिश की जाती है। ढाल एक मिलाप धातु या पूर्व निर्मित बाड़े हो सकता है। सुनिश्चित करें कि ढाल एकाधिक माध्यमों के माध्यम से जमीन के विमान के साथ निरंतर संपर्क बनाती है। एनालॉग सर्किट जैसे उच्च-रिज़ॉल्यूशन एडीसी या इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायरों के लिए शीर्ष तांबे की परत पर एक गार्ड रिंग - एक शांत जमीन से जुड़ा हुआ है - यह स्थिर रिसाव धाराओं को डूब सकता है और कैपेसिटिव युग्मन को कम कर सकता है।
रूटिंग और ट्रेस मैनेजमेंट
नियंत्रित प्रतिबाधा और माइक्रोस्ट्रिप बनाम स्ट्रिपलाइन
RF निशान को प्रतिबिंबों और विकिरण उत्सर्जन से बचने के लिए नियंत्रित-अग्रिम संचरण लाइनों के रूप में डिजाइन किया जाना चाहिए। माइक्रोस्ट्रिप (ऊपर से संकेतित, नीचे जमीन समतल) आम है लेकिन स्ट्रिपलाइन से अधिक विकिरण करता है (दो जमीन विमानों के बीच संकेत दफन)। उच्च गति अंतर जोड़ों के लिए, जमीन (CPWG) संरचनाओं के साथ कोप्लानर वेवगाइड का उपयोग करें। सभी RF निशान को कम और प्रत्यक्ष रूप से रखें, विशेष रूप से अंतिम एम्पलीफायर से एंटीना कनेक्टर तक।
एनालॉग और डिजिटल सिग्नल का पृथक्करण
एनालॉग निशान कुछ मिलीमीटर से अधिक के लिए डिजिटल बसों के समानांतर कभी नहीं चलनी चाहिए। जब पार करना अपरिहार्य है, तो 90 डिग्री क्रॉसिंग (या बेहतर, संक्रमण के माध्यम से दफन) का उपयोग करें ताकि युग्मन क्षेत्र को कम से कम किया जा सके। एनालॉग को बोर्ड के किनारों से दूर रखें जहां फ्रिंज क्षेत्र विकिरण कर सकते हैं। डिजिटल लाइनों के लिए, ड्राइवर दबा रिंग के पास स्थित श्रृंखला समाप्ति प्रतिरोध और हार्मोनिक ऊर्जा को कम करने के लिए।
शक्ति की अखंडता और Decoupling
स्थानीयकृत डिकोअपलिंग
एनालॉग या आरएफ पथ में प्रत्येक सक्रिय आईसी में अपने स्वयं के decoupling संधारित्र होना चाहिए जो पावर पिन के करीब रखा गया है - आदर्श रूप से 1-2 मिमी के भीतर। एक थोक संधारित्र (1-10 μF) और कम ईएसएल सिरेमिक (100 pF से 100 nF) के संयोजन का उपयोग करें, जो शोर की आवृत्ति के आधार पर। RFIC के लिए, पूर्वाग्रह लाइन में प्रवेश करने से उच्च आवृत्ति वाले शोर को अवरुद्ध करने के लिए बिजली फ़ीड में एक फेराइट बीड शामिल है। बीड को मुख्य पावर प्लेन और आईसी के स्थानीय डीकूपिंग के बीच रखा जाना चाहिए।
स्टार प्वाइंट पावर डिस्ट्रीब्यूशन
जहां संभव हो, एनालॉग सेक्शन के लिए स्टार-पॉइंट या ट्री-टॉपोलॉजी पावर डिस्ट्रीब्यूशन का उपयोग करें। यह सामान्य प्रतिबाधा युग्मन के माध्यम से एनालॉग आपूर्ति में इंजेक्शन से डिजिटल या स्विचिंग सर्किट से शोर को रोकता है। RF और एनालॉग आपूर्ति के लिए समर्पित कम ड्रॉपआउट (LDO) नियामकों में अलगाव की एक अतिरिक्त परत शामिल है। माइक्रोकंट्रोलर और VCO के बीच एक एकल नियामक के आउटपुट को साझा करने से बचें।
फ़िल्टरिंग तकनीक
LC और RC लो-पास फिल्टर
संकेत पथ पर, एक साधारण आरसी कम-पास फ़िल्टर एक एडीसी या एम्पलीफायर के इनपुट पर उच्च आवृत्ति हैश को दबा सकता है। कटऑफ आवृत्ति को अधिकतम सिग्नल बैंडविड्थ के ठीक ऊपर सेट किया जाना चाहिए। आरएफ लाइनों के लिए, ज्ञात हस्तक्षेप बैंड को पायदान करने के लिए एलसी फिल्टर या SAW फिल्टर का उपयोग करें। फिल्टर के सम्मिलन हानि और प्रतिबाधा मैच के बारे में सोचे - एक बेजोड़ फ़िल्टर इसे हल करने की तुलना में अधिक समस्याएं पैदा कर सकता है।
I/O लाइन्स पर फेराइट बीड्स
प्रत्येक केबल या कनेक्टर जो सिग्नल को बंद करता है, वह ईएमआई को विकिरण या उठा सकता है। सभी बाहरी आई / ओ लाइनों पर फेराइट मोती रखें - एनालॉग, डिजिटल और पावर - बोर्ड किनारे पर। अपेक्षित शोर आवृत्ति पर प्रतिबाधा शिखर के साथ मोती चुनें (आम तौर पर 100 मेगाहर्ट्ज से 1 गीगाहर्ट्ज)। अंतर जोड़े (यूएसबी, एलवीडीएस) के लिए, अंतर संतुलन को बाधित करने से बचने के लिए व्यक्तिगत मोती के बजाय सामान्य मोड चोक का उपयोग करें।
केबल्स और कनेक्टर्स का ग्राउंडिंग
शील्ड केबलों को RF परिरक्षण के लिए दोनों सिरों पर चेसिस ग्राउंड (या एक समर्पित स्वच्छ जमीन) से बंधे ढाल होना चाहिए, लेकिन एनालॉग संकेतों के लिए, रिसीवर पर एक एकल-एंडेड ग्राउंड कनेक्शन ग्राउंड लूप्स को रोक सकता है। मिश्रित डिजाइनों में, सिग्नल की अखंडता को संरक्षित करते समय ग्राउंड लूप्स को तोड़ने के लिए अलगाव ट्रांसफार्मर या सामान्य मोड फिल्टर का उपयोग करें। कनेक्टर खोल में एकाधिक थ्रू के माध्यम से ग्राउंड प्लेन के लिए कम-impedance कनेक्शन होना चाहिए।
पीसीबी सामग्री चयन
मानक FR-4 में एक उच्च अपव्यय कारक और असंगत ढांकता हुआ स्थिर होता है, जो 1 गीगाहर्ट्ज से ऊपर समस्याग्रस्त हो जाता है। RF सर्किट के लिए, रॉजर 4003C या 4350B जैसे टुकड़े का उपयोग करें, या इसोला एस्ट्रा MT77 जैसे उच्च आवृत्ति वाले समग्रों का उपयोग करें। ये सामग्री कम नुकसान वाले स्पर्शरेखा (0.002–0.004) और स्थिर Dk प्रदान करती हैं, जो सिग्नल की क्षीणता को कम करती हैं और किनारे के साथ युग्मित विकिरण के लिए प्रोपेनेसिटी को कम करती हैं। मिश्रित बोर्डों के लिए जहां लागत एक चिंता है, एक हाइब्रिड स्टैक-अप का उपयोग करें: डिजिटल परतों के लिए FR-4 और RF सेक्शन के लिए एक उच्च आवृत्ति टुकड़े टुकड़े टुकड़े टुकड़े।
सिमुलेशन और पूर्व अनुपालन परीक्षण
कोई डिजाइन मान्यकरण के बिना पूरा नहीं है। लेआउट चरण में शुरू होने वाले वर्तमान घनत्व और विकिरणित क्षेत्र पैटर्न को देखने के लिए पूर्ण तरंग EM सिम्युलेटर (जैसे, Ansys HFSS, Keysight Momentum, या ओपन सोर्स टूल जैसे ओपन ईएमएस) का उपयोग करें। स्पेक्ट्रम विश्लेषक के साथ पूर्व-अनुपालन परीक्षण और निकट क्षेत्र जांच गर्म स्थान की पहचान कर सकती है जहां ढाल या फ़िल्टरिंग अपर्याप्त है। प्लेसमेंट के माध्यम से समायोजन करके कई ईएमआई समस्याओं को निर्धारित किया जा सकता है, एक फेराइट जोड़कर, या बोर्ड के निर्माण के लिए जाने से पहले तांबे को डालने से पहले टैप करके तय किया जा सकता है।
निष्कर्ष
संवेदनशील एनालॉग और आरएफ सर्किट में विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप को कम करने से एक अनुशासित, सिस्टम-स्तर दृष्टिकोण की मांग होती है जो ग्राउंडिंग, लेआउट, घटक विकल्प, फ़िल्टरिंग और सामग्री चयन को एकीकृत करती है। यहां वर्णित तकनीकों को लागू करके - निरंतर ग्राउंड प्लेन, नियंत्रित-impedance रूटिंग, स्थानीयकृत डीकूपलिंग, उचित ढाल और गहन सिमुलेशन - इंजीनियर लगातार घने मिश्रित संकेत वातावरण में विश्वसनीय प्रदर्शन प्राप्त कर सकते हैं। प्रत्येक डिजाइन को एक ही बुनियादी भौतिकी द्वारा नियंत्रित एक अद्वितीय चुनौती के रूप में माना जाना चाहिए: कम-impedance रिटर्न पथ, न्यूनतम लूप क्षेत्र और मजबूत अलगाव। इन सिद्धांतों पर सावधानीपूर्वक ध्यान देने के साथ, ईएमआई को प्रभावी ढंग से प्रबंधित किया जा सकता है, एनालॉग और आरएफ सर्किट को अपने पूर्ण क्षमता पर संचालित करने की अनुमति देता है।
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