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高频PCB设计最容易出现的4大干扰问题,我们给出了解决方案


文章作者:www.bojdn.com 发布时间:2019-09-08 点击:1648



在高频PCB设计中,工程师需要考虑电源噪声,传输线干扰,耦合和电磁干扰(EMI)的干扰。接下来,我们将有效的实践结合起来,提供有效的解决方案。

电源噪声

在高频电路中,电源噪声对于高频信号尤其重要。因此,首先要求电源是低噪声的。在这里,清洁的地面和清洁的电力同样重要,为什么?电源特性如图1所示。显然,电源具有一定的阻抗,阻抗分布在整个电源上,因此噪声也叠加在电源上。然后我们应该尽可能地降低电源的阻抗,因此最好有专有的电源平面和地平面。在高频电路设计中,电源是分层设计的,在大多数情况下比在总线形式下要好得多,因此环路始终遵循阻抗最小的路径。此外,电源板必须为PCB上的所有生成和接收信号提供信号回路,从而最大限度地减少信号环路并降低噪声,低频电路设计人员经常忽略这一点。

图1电源功能

有几种方法可以消除PCB设计中的电源噪声:

1.注意板上的通孔。通孔使得必须蚀刻电源层上的开口以留出通孔的空间。如果电源层太大,则会影响信号回路,信号将被强制旁路,回路区域会增加,噪声也会增加。同时,如果一些信号线集中在开口附近,共用该环路,则公共阻抗将引起串扰。如图2所示。

图2旁路信号回路的通用路径

2,连接线需要足够的地线:每个信号需要有自己专有的信号环路,信号和环路的环路面积尽可能小,即信号和环路应该是并联的。

循环以减少循环区域。信号环路的数字和模拟模式之间的交叉如图3所示。

图3:信号回路的数字和模拟电路之间的交叉

4.避免在不同层之间重叠的单独电源。否则,电路噪声很容易通过寄生电容耦合。

5,隔离敏感元件:如PLL。

6.放置电源线:要减少信号环路,请将电源线放在信号线一侧,以降低噪声,如图4所示。

图4将电源线放在信号线一侧

传输线

PCB中只有两种传输线:带状线和微波线。传输线的最大问题是反射。反思会引起很多问题。例如,负载信号将是原始信号和回波信号的叠加,这将增加信号分析的难度。反射会导致回波损耗(回波损耗),其对信号的影响与加性噪声干扰的影响一样严重:

(1)反射回信号源的信号会增加系统噪声,使接收机更难以区分噪声和信号;

(2)任何反射信号将基本上降低信号质量,这将改变输入信号的形状。原则上,解决方案主要是阻抗匹配(例如,互连阻抗应该与系统的阻抗匹配)。但是,有时阻抗的计算很麻烦。您可以参考一些计算软件的传输线阻抗。

消除PCB设计中传输线干扰的方法如下:

(a)避免传输线中的阻抗不连续。阻抗不连续的点是传输线突然的点,例如直角,通孔等,并且应该尽可能地避免。方法如下:避免走线的直角,尽量采取45°角或弧形,也可以使用大角;尽可能少地使用过孔,因为每个过孔都是阻抗的不连续性,如图5所示。外层信号避免穿过内层,反之亦然。

图5消除传输线干扰的方法

(b)不要使用桩线。因为任何桩线都是噪音源。如果桩线很短,它可以在传输线的末端终止;如果桩线很长,主传输线将是源,这将导致大的反射,这使问题复杂化并且不推荐。

耦合

(1)公共阻抗耦合:是一个常见的耦合通道,即干扰源和受干扰的器件经常共用某些导体(如环路电源,总线,公共地等),如图6所示。 p>

图6公共阻抗耦合

在该通道上,Ic的回落导致串联电流回路中的共模电压,从而影响接收器。

(2)场共模耦合将使辐射源在由扰动电路和公共参考平面形成的环路上产生共模电压。如果磁场占优势,则串联环路中产生的共模电压的值是Vcm= - (Bt)*面积(B=磁感应的变化量)。如果是电磁场,则其电场值是已知的。感应电压为Vcm=(L * h * F * E)48,该公式适用于L(m)=150MHz。如果超过此限制,则最大感应电压的计算可简化为:Vcm=2 * h * E.

(3)差模场耦合:表示线对或板上的引线及其环路接收直接辐射。如果可能,靠近两根电线。这种耦合大大减少,因此两根导线可以绞合在一起以减少干扰。

(4)线间耦合(串扰)会导致任何线路等于并联电路之间的不希望的耦合,这会严重损害系统性能。这些类型可分为电容串扰和电感串扰。前者是因为线之间的寄生电容导致噪声源上的噪声通过注入电流而耦合到噪声接收线;后者可以被认为是寄生变压器的不希望的初级和次级之间的信号耦合。感应串扰的大小取决于两个环路的接近程度和环路区域的大小,以及受影响负载的阻抗。

(5)电力线耦合:表示交流或直流电源线受到电磁干扰,电力线将这些干扰传输到其他设备。

有几种方法可以消除PCB设计中的串扰:

1.两个串扰的幅度随着负载阻抗的增加而增加,因此应该适当地终止对串扰引起的干扰敏感的信号线。

2.尽可能增加信号线之间的距离,可有效减少电容串扰。进行接地层管理,并且进行布线之间的间隔(例如,有源信号线和地线被隔离,尤其是在状态跳跃和地面的信号线之间),并且引线电感减小。

3.在相邻信号线之间插入地线也可以有效地减少电容串扰。该地线需要每14个波长接入地平面。

4.对于感应串扰,如果允许,应最小化并消除环路区域。

5.避免信号共享循环。

6.注重信号完整性:设计人员必须在焊接过程中实现终端,以解决信号完整性问题。使用这种方法的设计人员可以专注于屏蔽铜箔的微带长度,以获得良好的信号完整性。对于在通信结构中使用密集连接器的系统,设计人员可以使用单个PCB终止。

电磁干扰

随着速度的增加,EMI将变得更加严重并且在许多方面表现出来(例如互连处的电磁干扰),这对高速设备特别敏感,因此高速设备将在低速时接收高速杂散信号。设备将忽略这些错误信号。

有几种方法可以消除PCB设计中的电磁干扰:

循环路径,避免人为循环,尽量使用电源层。

2.滤波:可以在电源线和信号线上使用滤波,以降低EMI。有三种方法:去耦电容,EMI滤波器和磁性元件。 EMI滤波器如图7所示。

图7过滤器类型

3.屏蔽。由于问题的篇幅加上很多关于讨论的文章,没有更具体的介绍。

4.尽量降低高频设备的速度。

5.增加PCB板的介电常数,防止靠近板的传输线的高频部分向外辐射;增加PCB板的厚度,最小化微带线的厚度,防止电磁线溢出,并防止辐射。

总结:

在高频PCB设计中,我们应遵循以下原则:

1.电源和地的统一和稳定。

2.仔细布线和正确端接可以消除反射。

3.仔细考虑接线和正确端接可以减少电容和电感串扰。

4.必须抑制噪声以满足EMC要求。

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