Вступ до електромагнітної взаємовідносин в аналогових і радіочастотних ланцюгах

Електромагнітний втручання (EMI) залишається одним з найбільш стійких викликів у високопродуктивному друкованій платі (PCB) дизайн, особливо при чутливому аналоговому та радіочастотному (RF) схемах, що діляться однаковою дошкою з цифровими або силовими ланцюгами. Навіть низькі рівні проведених або променевих EMI можуть пошкодити аналогові сигнали низького рівня, деградувати співвідношення сигналу-до-нуз, і викликати небажаний фазовий шум або спорожнені викиди на RF стадії. Як робочі частоти, що піднімаються в діапазоні Gigahertz і подача напруг, запас для ву ву ву ву ву значно різко.

Розуміння джерел та механізмів копіювання

EMI може ввести схему через три режими первинного змішування: проведені, променовані, і індуктивні або ємнісні приземні муфти. Цифрові годинники, комутаційні регулятори, і швидкісні дані автобуси є загальними на борту шумоу джерела. Їх гармоніки часто потрапляють безпосередньо в діючі смуги аналогових або RF ланцюгів. Додатково повернути струми в наземних площинах, перехресний між сусідніми слідами, а параситична ємність між шарами створюють незбагачені шляхи для втручання. Ретельно-граш цих механізмів є важливим перед вибором методів пом'якшення.

Для чутливих аналогових схем навіть мікровольти з'єднання шуму можуть перевищити бюджет помилки. У схемах РФ будь-який об'ємний тон в межах пасмонога може розградувати шум і підняти швидкість помилки. Перший крок полягає в виявленні критичних сигналів і найбільш агресивних джерел шуму, потім реалізовувати шаровану захист за допомогою ізоляції, фільтрації і ретельного управління відступами.

PCB Stack-Up і наземний літак дизайн

Безперервні плани

Фундація будь-якого дизайну низького класу є твердою, непрозорою площиною землі. Неперервна площина забезпечує найнижчий можливий зворотний шлях, що зменшує загальний струми і пригнічує мелений відбій. Для змішаних міток чотиришаровий стебло (датель-земний - лінійний - призначають) часто мінімальний для прийнятної продуктивності. Заземний літак повинен бути розміщений поруч шар, що несе найбільш чутливі сигнали. Уникайте розслаблення або розщеплення площини, якщо це обов'язково; якщо потрібно розщеплення площин, перемішують їх з феритними намистинами або ву, тільки де повертають струми.

Після висихання та заземлення відслідків щита

При використанні щитовидних засобів або слідів запобіжника, стібка їх на площину з за допомогою космічних замочок не більше λ/20, крім найвищої частоти відсотків. Це запобігає щиту від дії як резонансної порожнини і забезпечує, що зовнішні поля відокремлюються від чутливих вузлів. Аналогічно, кожен компонент заземлений шпилькою, особливо на RFICs і op-amps, повинен мати свій власний через безпосередньо до основного літака, щоб мінімізувати паразитичне протоку.

Розміщення компонентів та розділення

Просторове розділення шумових джерел

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.

Щирощі кані та гвардійські кільця

Для найбільш чутливих RF етапів (LNAs, VCOs, змішувачі), рекомендується індивідуальне відділення. Шило може бути паяльним металом або попередньо сформованим корпусом. Переконайтеся, що щит робить безперервний контакт з площиною землі через кілька потоків. Для аналогових схем, таких як високоторерозійні ADC або підсилювачі приладу, кільце охорони на верхній мідний шар – підключений до тихого грунту – може мити променевими струмами витоку і зменшити ємнісний муфта.

Управління маршрутами та трацесом

Контрольний опір і мікросмуг проти Стриптизу

Сліди радіочастот повинні бути розроблені як керовані лінії передачі, щоб уникнути відбиття і випромінених викидів. Мікросмуг (призначають зверху, наземний літак нижче) є загальним, але випромінює більше смугової (призначають поховані між двома наземними площинами). Для швидкісних диференціальних пар використовуйте копланарний хвилевод з наземними (CPWG) структурами. Тримайте всі сліди RF як короткі і прямі, як можливо, особливо шлях від останнього підсилювача до антенного роз'єму.

Сепарація аналогових і цифрових сигналів

Простеження аналогового не повинно виконувати паралельно цифровим автобусам більше декількох міліметрів. При перехресні нездійсненні, використовують 90-тидегретний перетин (або, краще, закопаний через перехід), щоб площа занурення була зведена до мінімуму. Тримайте аналогові сліди від країв дошки, де можна променувати полів. Для цифрових ліній, послідовні резистори, розміщені біля водійського пригнічення, зменшують гармонічну енергію.

Потужна інтеграція та декопінг

локалізоване декопінг

Кожен активний IC в аналоговому або RF-патті повинен мати власний декопінг-конденсатор, який розміщується максимально наближеним до силового шпигулю – ідеально в межах 1–2 мм. Використовуйте поєднання сипучих конденсаторів (1–10 мкФ) і низькотемпературної кераміки (100 кФ до 100 нФ) залежно від частоти шуму. Для RFICs відключають феритову намистину в живлення для блокування високочастотного шуму від виходу на лінію зносу. Бісер повинен бути розміщений між основною площиною живлення і локальним декопінгом IC.

Зірковий розподіл енергії

Де можна, використовувати зірочку або деревотопологічну розподіл живлення для аналогових розділів. Це запобігає шуму від цифрових або комутуючих ланцюгів, що вводять в аналогове постачання через загальний припливний муфта. Виділені низькотемпульти (LDO) для RF і аналогових поставок додають додатковий шар ізоляції. Уникайте поділу одного регулятора виходу між мікроконтролером і VCO.

Технології фільтрування

LC і RC низький фільтри

На сигналі доріжки простий RC низькотемпературний фільтр на вході ADC або підсилювач може пригнічувати високочастотний хеш. Частота відключення повинна бути встановлена тільки над максимальною пропускною здатністю сигналу. Для ліній RF використовуйте LC фільтри або фільтри SAW для того, щоб не з'ясувати відомі перешкоди смуг. Знайте жорстке втрата вставки фільтра і відповідність імпульсу - неправильний фільтр може створити більш проблеми, ніж він вирішує.

Ферітові бісери на лініях I / O

Кожен кабель або роз'єм, який несе сигнали з бортовою дошкою, може випромінювати або підібрати EMI. Помістіть феритові бісери на всіх зовнішніх лініях I / O - аналогових, цифрових і потужності - на краю дошки. Виберіть бісер з вершиною імпульсу при очікуваній частоті шуму (типово 100 МГц до 1 ГГц). Для диференціальних пар (USB, LVDS), використовуйте спільні ‐mode chokes замість окремих намистин, щоб уникнути порушення диференціального балансу.

Заземлення кабелів та роз'ємів

Ущільнені кабелі повинні мати щитову пов'язку на головку шасі (або спеціальну чисту землю) на обох кінцях для очисної обробки РФ, але для аналогових сигналів, одностороннє з'єднання з грунтом на ресивері може запобігти заземлення петель. У змішаних конструкціях використовують ізоляційні трансформатори або загальні фільтри ‐mode для розбиття мелених петель при збереженні цілісності сигналу. Об'ємна оболонка повинна мати з'єднання з низьким рівнем проникності до основного площини через кілька поток.

PCB Матеріал Вибір

Стандарт FR‐4 має високий коефіцієнт дисипації та несприятливу діелектричну констанцію, яка стала проблемою вище 1 ГГц. Для радіолокв, використовують ламінати, такі як Rogers 4003C або 4350B, або високочастотні композити, такі як Isola Astra MT77. Ці матеріали пропонують низький рівень втрат (0.002-0.004) і стабільний Dk, що зменшує як сигнал загартування і пропензивність для крайово-купе випромінювання. Для змішаних дощок, де вартість є концерном, використовують гібридний стемп: FR‐4 для цифрових шарів і високочастотний ламінат для РФ секції RF, з обережною увагою до переходівим переходим.

Моделювання та тестування передпокою

Немає дизайну є повним без перевірки. Використовуйте повнохвильові EM-монітори (наприклад, Ansys HFSS, Keysight Momentum або відкриті-source інструменти, такі як OpenEMS), щоб візуалізувати поточні щільності і випромінюються польові візерунки рано в стадії планування. Попереднє тестування з спектром аналізатора і ближнього поля може виявити гарячі плями, де щит або фільтрування є недостатньо. Багато проблеми EMI можна виправити, скоригуючи через розміщення, додаючи ферит, або твітіння міді, заливається до до плати, йде до виготовлення.

Висновок

Зменшення електромагнітних перешкод у чутливих аналогових і RF схемах вимагає дисциплінованого, системного рівня підходу, який інтегрує заземлення, планування, вибір компонентів, фільтрування та вибору матеріалу. Застосування методів описаних тут – безперервних наземних площин, керованих маршрутизації, локалізованих декопінгів, належного щитування, а ретельне моделювання – інженери можуть послідовно досягати надійної продуктивності навіть в щільних змішаних міткових середовищах. Кожен дизайн повинен розглядатися як унікальний виклик, що регулюється однією фундаментальною фізикою: низьким рівнем довіри, мінімальні площі петлі і міцна ізоляції. З обережністю увагу на ці принципи EMI може бути керованим, що дозволяє аналоговим і повними ланцюгами.

Для подальшого читання консультуйтеся з ]Настановки проектування друкованих плат , Texas Instruments EMI Design Guide], а EDN стаття про EMI скорочення]]]].