模拟和RF电路电磁干扰介绍

电磁干扰仍然是高性能印刷电路板设计中最长期存在的挑战之一,特别是当敏感的模拟和射频电路与数字或电路共用同一电路板时。即使电磁干扰的进行或辐射水平低,也会腐蚀低水平的模拟信号,降低信号与噪音的比例,造成不必要的相位噪音或RF级的虚假排放。随着运行频率攀升到千兆赫范围,供应电压缩小,误差的幅度大大缩小。本条款概述了从基本的地面和布局技术到先进的过滤和材料选择中,为尽量减少混合信号电路中的电磁而实际、现场证明的战略。重点在于既能控制排放又能敏感地控制信号完整性的可操作设计规则。

了解来源和联系机制

EMI可以通过三种主要耦合模式进入电路:导电、辐射和电磁近野耦合。数字时钟、转换调节器和高速数据总线是机上常见的噪音源。它们的谐波常直接落入模拟或RF电路的运行波段。 此外,地面飞机回流、相邻痕迹之间的对流和层间的寄生电容也会产生意外干扰路径。 在选择减缓技术之前,必须彻底掌握这些机制。

对于敏感的模拟电路,即使是伴噪的微伏也可以超过误差预算. RF电路中,任何传声带内的假调都可以降低噪声数字,提高位差误率. 第一步是识别关键信号路径和最具有攻击性的噪声源,然后通过隔离,过滤,以及小心的阻断控制来实施层防.

PCB 堆叠式和地面平面设计

连续地面规划

任何低电磁I设计的基础都是坚固的、未断裂的地面平面。连续平面提供了尽可能低的返回路径阻力,减少了常见模式电流,抑制地面反弹。对于混合信号板,四层堆积(信号-地面-动力-信号)往往是可接受的性能的最小值。地面平面应放在带最敏感信号的层附近。除非绝对必要,否则避免排档或分割地面平面;如果需要分机,则仅在返回电流必须穿过的地方用火珠或微微量线连接。

盾架的断层和搁浅

在使用屏蔽罐或护卫痕迹时,将它们缝合到地面平面上,其间距以最高的频率间隔不超过QQ/20。这阻止了屏蔽作为共振腔的作用,并确保外部场从敏感的节点被转移。 同样,每个组件的地面针,特别是在RICs和op-amps上,都应该有自己的直接通过地面平面来尽量减少寄生虫的触觉。

安置和分区

噪音源的空间分离

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.

护栏和护栏

对于最敏感的RF级(LNA,VCO,混凝土),建议采用单个隔板屏蔽。 屏蔽可以是熔化的金属罐或预先形成的封装。 确保屏蔽通过多个通道与地面平面持续接触。 对于像高分辨率ADC或仪器放大器这样的模拟电路,顶层铜层的护环 — — 与静地相连 — — 可以沉没流流出,减少电容耦合。

路线和追踪管理

受控障碍和微悬浮对脱衣舞

RF痕迹必须设计为可控障碍传输线,以避免反射和辐射. Microstrip(在上方,地面平面以下的信号)是常见的,但辐射超过脱线(在两架地面平面之间埋设信号). 对于高速差分对,使用带有地面结构的coplana波导. 尽量缩短和直接所有RF痕迹,特别是从最后的放大器到天线连接器的路径.

模拟信号和数字信号的分离

模拟痕迹永远不应与数字巴士平行运行超过几毫米。 当无法避免时, 使用90度的交叉( 或者, 更好的, 隐藏在过渡中) , 以便最小化耦合区域。 将模拟痕迹从板边上移开, 边缘区域可以辐射。 对于数字线路, 安装在驱动器附近的系列终止电阻器压制振铃并减少谐振能量 。

权力的廉正与脱钩

本地化脱钩

模拟或RF路径中的每一条活跃的IC必须尽可能地将自己的脱钩电容器放在电源顶端 — — 理想的是在1–2毫米之内。 视噪声频率的不同,使用一个散装电容器(1–10 μF)和低电子斯勒陶瓷(100 pF至100 nF)的组合。对RIC来说,电源信号中包括一个电源珠,以阻止高频噪声进入偏差线。 电线应该放在主电机和IC局部脱钩之间。

星点功率分配

尽可能在模拟区段使用星点或树形电源分布。这可以防止数字或转换电路产生的噪音通过常见阻塞耦合注入模拟供应。用于RF和模拟供应的专用低排出(LDO)调节器会增加一层隔离。避免在微控制器和VCO之间共享单一调节器的输出。

过滤技术

LC 和 RC 低气压过滤器

在信号路径上,一个简单的RC低通过过滤器在ADC或放大器的输入时可以压制高频散列。截断频率应该被设定在最大信号带宽的上方。对于RF线,使用LC滤波器或SW滤波器来识别已知的干扰波段。请注意过滤器的插入丢失和阻塞匹配 — — 错配的过滤器会产生比它解决更多的问题。

I/O线上的丝状圆珠

每一个带信号离线的电缆或连接器都可以辐射或接上EMI。在所有外部I/O线上将Ferrite珠 — — 模拟、数字和动力 — — 放在板边。 在预期噪音频率上选择阻力峰值的珠(通常为100兆赫到1GHz ) 。 对于差分对(USB、LVDS),使用普通的 ⁇ 形扼杀而不是单个珠子来避免破坏差分平衡。

电缆和连接器的地面

盾形电缆必须在两端有盾形与底盘地面(或专用的清洁地面)的连接,用于RF屏蔽,但对于模拟信号,接收器的单座地面连接可以防止地面环路。在混合设计中,使用隔离变压器或普通的 ⁇ 模滤波器来断开地面环路,同时保持信号完整性。连接器外壳应通过多个通道与地面平面保持低的 ⁇ 阻断连接。

多氯联苯材料选择

FR ⁇ 4标准具有高散射系数和不连贯的二电常数,这在1GHz以上产生问题。 对于RF电路,使用Rogers 4003C或4350B等高频复合材料,如Isola Astra MT77。 这些材料提供低损耗正切(0.002-0.004)和稳定的Dk,既减少了信号衰减,也减少了边缘耦合辐射的倾向。 对于混合板,成本值得关注,请使用混合堆叠式:FR ⁇ 4用于数字层,RF部分使用高频层,同时注意过渡和模型。

模拟和履约前测试

没有验证, 任何设计都无法完成 。 使用完整的波波 EM 模拟器( 如 Ansys HFSS, Keysight Momentum, 或 OpenEMS 等开源工具) 来视觉当前密度和辐射场模式。 预 QQ 测试 和频谱分析器及近 QQFeld 探测器可以识别屏蔽或过滤不足的热点。 许多 EMI 问题可以通过放置调整、 添加 ferrite 或 切换铜灌注来修复 。

结论

降低敏感模拟和RF电路的电磁干扰需要一种有纪律的系统 — — 级别方法,将地面、布局、组件选择、过滤和材料选择结合起来。 通过运用本文描述的技术 — — 连续地面飞机、控制障碍路径、局部脱钩、适当的屏蔽和彻底模拟 — — 工程师即使在密集的混合信号环境中也能持续实现可靠的性能。 每一种设计都应该被作为同一基本物理所支配的独特挑战:低阻回路、最小循环区和强力隔离。 通过谨慎地关注这些原则,可以有效地管理EMI,使模拟和RF电路充分发挥其潜力。

进一步阅读时,请参考 纳米设备的PCB布局准则]、 Texas仪器EMI设计指南,以及 EDN关于EMI减量的文章]。