Aspectul PCB și compatibilitatea electromagnetică pentru microcontrolerele din seria MB90. Micile secrete ale plăcilor de rutare cu amplificatoare operaționale și de instrumentare
ÎN aceasta sectiune ne uităm la modul de a evita distorsiunea semnalului digital asociată cu transmiterea acestuia de-a lungul conductorului de pe placa de circuit imprimat. Deși aceasta este în primul rând o sarcină pentru inginerul de circuite, proiectantul PCB este adesea vinovat pentru problemele cu transmisia semnalului pe placă, precum și pentru diafonia și diafonia care apar pe placă.
De ce semnalul este distorsionat în timpul transmisiei?
În primul rând, distorsiunea este caracteristică semnalelor de înaltă frecvență, cu o frecvență de 1 GHz sau mai mult. Acest lucru se datorează efectelor rezonanțelor și reflexiilor asupra segmentelor individuale de fir, a canalelor, a ieșirilor de ventilație de pe placă și la intrările receptorului. Cu toate acestea, problema este că semnalele cu o frecvență de până la 500 MHz, tipice pentru circuitele digitale standard, așa cum vom vedea mai târziu, pot fi adesea distorsionate semnificativ, ceea ce înseamnă că pot fi clasificate și ca de înaltă frecvență.
Care este ideea de transmitere fără distorsiuni?
Principiul transmisiei semnalului fără distorsiuni este că conductorul este realizat ca o linie de transmisie (sau „linie lungă”) cu o anumită impedanță caracteristică (undă), adică. impedanta Z 0 , aceeasi pe toata lungimea de la sursa la receptorul de semnal, care asigura omogenitatea liniei. A doua cerință este consistența liniei cu sursa și receptorul semnalului. Spre deosebire de un conductor convențional, o astfel de linie de transmisie nu duce la rezonanță, distorsiune și reflexie în timpul transmisiei semnalului, indiferent de cât de lungă este. Liniile de transmisie pot fi implementate cu ușurință pe o placă de circuit imprimat folosind materiale cu parametri cunoscuți și asigurând dimensiunile necesare ale elementelor de model imprimat. Există potriviri de linie serială și paralelă și este necesar să folosiți anumite rezistențe de potrivire la ieșirea sursei și/sau intrarea receptorului de semnal. Liniile de transmisie formate pe placă pot fi, desigur, extinse în afara plăcii folosind conectori și cabluri cu impedanță caracteristică controlată Z 0 .
Pentru ce semnale devine semnificativă distorsiunea?
Comparând lungimea conductorului de pe placă cu lungimea de undă pe care o are componenta de cea mai mare frecvență semnal transmis(atunci când este distribuit, de exemplu, în material FR4), se poate determina așa-numita lungime electrică a conductorului. Lungimea electrică poate fi exprimată în fracții din lungimea de undă minimă sau în fracții din valoarea sa inversă - durata frontului. Dacă conductorul are o lungime electrică prea mare, atunci pentru a preveni distorsiunea excesivă a semnalului, acest conductor trebuie configurat ca o linie de transmisie. Rețineți că atunci când transmiteți semnale de înaltă frecvență, liniile de transmisie ar trebui utilizate nu numai pentru a reduce distorsiunea, ci și pentru a reduce nivelul radiației electromagnetice (EMR).
Regula „jumătate din durata frontului”
O regulă aproximativă este că conductorul este „lung electric” (ceea ce se numește în inginerie electrică "linie lunga"), dacă timpul necesar pentru ca frontul de semnal să treacă de la sursă la cel mai îndepărtat receptor depășește jumătate din timpul de semnal al frontului. În acest caz, reflexiile în linie pot distorsiona semnificativ frontul semnalului. Să presupunem că dispozitivul conține cipuri cu un timp de creștere de 2 ns (de exemplu, conform documentației pentru seria FastTTL). Constanta dielectrică a materialului PCB (FR4) activată frecvente inalte este aproape de 4,0, ceea ce dă viteza frontului aproximativ 50% din viteza luminii, sau 1,5,10 8 m/s. Aceasta corespunde unui timp de propagare frontal de 6,7 ps/mm. Cu această viteză, frontul se va deplasa cu aproximativ 300 mm în 2 ns. Din aceasta putem concluziona că pentru astfel de semnale „liniile de transmisie” ar trebui folosite numai dacă lungimea conductorului depășește jumătate din această distanță - adică 150 mm.
Din păcate, acesta este răspunsul greșit. Regula „timp de creștere la jumătate” este prea simplistă și poate duce la probleme dacă deficiențele sale nu sunt luate în considerare.
Probleme cu abordarea simplificată
Datele privind timpul de creștere date în documentația pentru microcircuite reflectă valoarea maximă și adesea în timp real comutarea este semnificativ mai mică (să zicem, poate fi de 3-4 ori mai mică decât cea „maximă” și este greu de garantat că nu se va schimba de la un lot la altul de microcircuite). Mai mult, componenta capacitivă inevitabilă a sarcinii (de la intrările IC conectate la linie) reduce viteza de propagare a semnalului în comparație cu viteza de proiectare realizabilă pe o placă de circuite goale. Prin urmare, pentru a obține o integritate adecvată a semnalului transmis, liniile de transmisie ar trebui utilizate cu conductori mult mai scurti decât sugerează regula descrisă anterior. Se poate arăta că pentru semnalele cu un timp de creștere (conform documentației) de 2 ns, este indicat să se folosească linii de transmisie pentru conductoarele a căror lungime depășește doar 30 mm (și uneori mai puțin)! Acest lucru se aplică în special semnalelor care poartă o funcție de sincronizare sau de gate. Tocmai aceste semnale sunt caracterizate de probleme asociate cu „pozitive false”, „recalculare”, „înregistrarea datelor incorecte” și altele.
Cum se proiectează linii de transmisie?
Există multe publicații dedicate ce tipuri de linii de transmisie pot exista, cum să le proiectați pe o placă de circuit imprimat și cum să le verificați parametrii. În special, standardul IEC 1188-1-2: 1988 oferă îndrumări detaliate în acest sens. Există, de asemenea, multe produse software disponibile care vă permit să selectați designul liniei de transmisie și structura PCB. Majoritate sisteme moderne proiecta plăci de circuite imprimate vin cu programe încorporate care permit proiectantului să proiecteze linii de transmisie cu parametri specificați. De exemplu, putem numi programe precum AppCAD, CITS25, TXLine. Cel mai capabilități complete oferi produse software de la Polar Instruments.
Exemple de linii de transmisie
Ca exemple, luați în considerare cele mai multe tipuri simple linii de transmisie.
Cum să proiectați linia de transmisie în cel mai bun mod?
Semnalele cu cea mai mare viteză (sau cele mai critice) ar trebui să fie în straturi adiacente planului de masă (GND), de preferință unul care este asociat cu planul de putere de decuplare. Semnale mai puțin critice pot fi aplicate planurilor de alimentare dacă planurile sunt decuplate în mod adecvat și nu sunt foarte zgomotoase. Fiecare astfel de plan de alimentare trebuie să fie asociat cu microcircuitul de la care sau către care este primit acest semnal. Cea mai bună imunitate la zgomot și EMC sunt asigurate de liniile de bandă trasate între două planuri GND, fiecare dintre acestea fiind asociat cu propriul plan de alimentare pentru decuplare.
Linia de transmisie nu trebuie să aibă găuri, rupturi sau rupturi în niciunul dintre planurile de referință la care este trasată, deoarece acest lucru va duce la modificări semnificative în Z 0 . Mai mult, linia benzii trebuie să fie cât mai departe posibil de orice discontinuitate din plan sau de marginea planului de susținere, iar această distanță nu trebuie să fie mai mică de zece ori lățimea conductorului. Liniile de transmisie adiacente trebuie să fie separate de cel puțin trei lățimi ale conductorului pentru a elimina diafonia. Semnalele foarte critice sau „agresive” (cum ar fi comunicarea cu o antenă radio) pot beneficia de EMC prin utilizarea unei linii simetrice cu două rânduri de interfețe strâns distanțate, ca și cum ar fi blocat-o de alți conductori și creând o structură coaxială în placa de circuit imprimat . Cu toate acestea, pentru astfel de structuri, Z 0 este calculat folosind formule diferite.
Cum poți reduce costul unui proiect?
Tipurile de linii de transmisie descrise mai sus necesită aproape întotdeauna utilizarea unei plăci multistrat și, prin urmare, este posibil să nu fie aplicabile pentru crearea de produse de gamă joasă produse în masă. categorie de pret(deși la volume mari, PCB-urile cu 4 straturi sunt doar cu 20-30% mai scumpe decât cele cu două fețe). Cu toate acestea, pentru proiectele cu costuri reduse, se folosesc și tipuri de linii precum echilibrat (uniform) sau coplanar, care pot fi construite pe o placă cu un singur strat. Trebuie avut în vedere faptul că tipurile de linii de transmisie cu un singur strat ocupă de câteva ori mai multă zonă pe placă decât liniile microstrip și stripline. În plus, în timp ce economisiți costul plăcii de circuit imprimat, veți fi forțat să plătiți mai mult pentru ecranarea suplimentară a dispozitivului și filtrarea zgomotului. Mânca regula generala, care afirmă că rezolvarea problemelor EMC la nivelul ambalajului produsului costă de 10-100 de ori mai mult decât rezolvarea aceleiași probleme la nivelul plăcii de circuite imprimate.
Prin urmare, atunci când vă reduceți bugetul de dezvoltare prin reducerea numărului de straturi de PCB, fiți pregătit să cheltuiți Timp suplimentarși bani pentru mai multe iterații de comandă de plăci de mostre pentru a asigura nivelul necesar de integritate a semnalului și EMC.
Cum să slăbești efect negativ de la schimbarea straturilor?
Conform regulilor standard de cablare, există cel puțin un condensator de decuplare lângă fiecare cip, astfel încât să putem schimba stratul de lângă cip. Cu toate acestea, trebuie luată în considerare lungimea totală a segmentelor care nu sunt situate în stratul „fâșie”. O regulă aproximativă este că lungimea electrică totală a acestor segmente nu trebuie să depășească o opteme din timpul de creștere. Dacă poate apărea o modificare prea mare a Z 0 pe oricare dintre aceste segmente (de exemplu, când utilizați prize ZIF sau alte tipuri de prize pentru microcircuite), este mai bine să vă străduiți să minimizați această lungime la o zecime din timpul de creștere. Utilizați această regulă pentru a determina lungimea totală maximă admisă a segmentelor nestandardizate și încercați să o minimizați în aceste limite cât mai mult posibil.
Pe baza acestui lucru, pentru semnalele cu un timp de creștere (conform documentației) de 2 ns, trebuie să schimbăm stratul la cel mult 10 mm de centrul microcircuitului sau de centrul rezistenței de potrivire. Această regulă a fost elaborată ținând cont de o marjă de 4 ori pentru faptul că timpul real de comutare poate fi semnificativ mai mic decât cel maxim conform documentației. La aproximativ aceeași distanță (nu mai mult) de locul în care sunt schimbate straturile, ar trebui să existe cel puțin un condensator de decuplare care conectează planurile de masă și de alimentare corespunzătoare. Distanțe atât de mici sunt dificil de realizat atunci când se utilizează microcircuite marime mare, deci există compromisuri în amenajarea circuitelor moderne de mare viteză. Cu toate acestea, această regulă justifică faptul că microcircuitele de dimensiuni mici sunt de preferat în circuitele de mare viteză și explică faptul că dezvoltarea rapidă a tehnologiilor BGA și flip-chip, care minimizează calea semnalului de la conductorul de pe placă la cip. a microcircuitului.
Simularea și testarea prototipurilor
Datorită disponibilității multor opțiuni de cip și multe altele Mai mult al aplicației lor, unii ingineri pot considera că aceste reguli generale sunt insuficient de precise, iar unii le vor considera exagerate, dar acesta este rolul „regulilor generale” - sunt doar o aproximare aproximativă pentru a proiecta intuitiv dispozitive care funcționează corect.
În zilele noastre, instrumentele de modelare pe computer devin din ce în ce mai accesibile și mai avansate. Acestea vă permit să calculați parametrii de integritate a semnalului, EMC, în funcție de structura reală a stratului și de rutarea semnalului. Desigur, utilizarea lor va da rezultate mai precise decât aproximările noastre brute, așa că vă recomandăm să le folosiți cât mai complet posibil. modelare pe calculator. Cu toate acestea, nu uitați că timpul real de comutare al microcircuitelor poate fi semnificativ mai scurt decât cel indicat în documentație, iar acest lucru poate duce la rezultate incorecte, așa că asigurați-vă că modelul etapelor de ieșire și de intrare corespunde realității.
Următorul pas este verificarea trecerii semnalului critic pe primul eșantion „prototip” al plăcii de circuit imprimat, folosind un osciloscop de înaltă frecvență. Trebuie să vă asigurați că forma de undă nu este distorsionată pe măsură ce se deplasează pe toată lungimea plăcii de circuit, iar doar respectarea regulilor de mai sus este puțin probabil să dea un rezultat excelent prima dată, deși poate fi destul de bun. Utilizarea unui analizor de câmp electromagnetic RF sau a unui analizor de spectru de emisie poate fi o altă modalitate de a examina integritatea semnalului și problemele EMC la nivel de PCB „prototip”. Metodele pentru o astfel de analiză nu fac obiectul acestui articol.
Chiar dacă utilizați simularea circuitelor complexe, nu neglijați integritatea semnalului și testarea EMC pe primele dvs. prototipuri de PCB.
Furnizarea impedanțelor de undă în etapa de fabricație a PCB-ului
Un material FR4 tipic destinat fabricării plăcilor cu circuite imprimate are o valoare a constantei dielectrice (E r) de aproximativ 3,8...4,2 la 1 GHz. Valori reale E r poate fluctua în ±25%. Există materiale FR4 care au o valoare E r care este evaluată și garantată de furnizor și nu sunt mult mai scumpe decât materialele convenționale, dar producătorii de PCB nu sunt obligați să folosească clase FR4 „evaluate” decât dacă sunt specificate în mod specific în comanda PCB.
Producătorii de PCB lucrează cu grosimi dielectrice standard („preimpregnate” și „laminate”), iar grosimea acestora în fiecare strat trebuie determinată înainte ca placa să fie pusă în producție, ținând cont de toleranțele de grosime (aproximativ ± 10%). Pentru a asigura un anumit Z 0, pentru o anumită grosime dielectrică, puteți selecta lățimea conductorului corespunzătoare. Pentru unii producători este necesar să se indice lățimea efectivă necesară a conductorului, pentru alții - cu o marjă pentru subtăieri, care poate ajunge la 25-50 de microni față de lățimea nominală. Cea mai bună opțiune este o indicație pentru producător ce lățime a conductorului în care este proiectată straturile ținând cont de asigurarea unui anumit Z 0. În acest caz, producătorul poate ajusta lățimea conductorului și structura stratului pentru a se asigura parametrii dațiîn conformitate cu tehnologia sa de producție. În plus, producătorul măsoară realitatea rezistența la val pe fiecare semifabricat din fabrică și respinge el însuși plăcile pe care Z 0 nu se încadrează în toleranța de ±10% sau mai precis.
Pentru semnale de peste 1 GHz, poate fi necesar să se utilizeze materiale cu frecvență mai înaltă, cu o stabilitate mai bună și alte proprietăți dielectrice (cum ar fi Duroid de la Rogers etc.).
Literatură
1. Design Techniques for EMC & Signal Integrity, Eur Ing Keith Armstrong.
2. IEC 61188-1-2: 1998 Plăci imprimate și ansambluri de plăci imprimate - Proiectare și utilizare. Partea 1-2: Cerințe generice - Impedanță controlată, www.iec.ch.
3. Design de plăci de circuite imprimate multistrat de complexitate ridicată. Seminar Tehnologia PCB, 2006.
4. http://library.espec.ws/books/chooseant/CHAPTER6/6-1.htm
5. Design hardware. Walt Kester.
- Minimizați lungimile magistralei RF
- Separați magistralele de alimentare și de masă între părțile analogice și digitale ale circuitului
- Nu rupeți poligoane de pământ cu conductori de înaltă frecvență
Definiții:
Compatibilitate electromagnetică (EMC): capacitatea în procesul de funcționare de a nu aduce o contribuție excesivă la mediu radiatie electromagnetica. Când această condiție este îndeplinită, toate componentele electronice funcționează împreună corect.
Interferență electromagnetică (EMI): energie electromagnetică, emis de un dispozitiv, ceea ce poate duce la încălcarea caracteristicilor de calitate ale altui dispozitiv.
Imunitate electromagnetică, EMPU (imunitate electromagnetică, sau susceptibilitate, EMS): toleranta (rezistenta) la efectele energiei electromagnetice.
Design cu luând în considerare EMC: 4 reguli principale
Problema regulilor: cu cât ai mai multe reguli, cu atât este mai greu să le urmezi pe toate. Prioritizarea implementării lor este diferită.
Să presupunem că, atunci când creați o placă de circuit imprimat multistrat, trebuie să direcționați un semnal de înaltă frecvență de la o componentă analogică la una digitală. Desigur, doriți să minimizați probabilitatea unei probleme de compatibilitate electromagnetică (EMC). După ce ați căutat pe internet, găsiți trei recomandări care par a fi relevante pentru situația dvs.:
Viziunea ta despre trei opțiuni posibile cablarea este prezentată în Fig. 1.
În primul caz, traseele sunt dirijate direct între cele două componente, iar poligonul de la sol rămâne continuu. În al doilea caz, se formează un gol în poligon, iar pistele trec peste acest gol. În al treilea caz, traseele sunt așezate de-a lungul golului din poligon.
În fiecare dintre aceste trei cazuri, una dintre regulile de mai sus este încălcată. Sunt aceste cazuri alternative la fel de bune pentru că îndeplinesc două dintre cele trei reguli? Sunt toate rele pentru că fiecare încalcă cel puțin o regulă?
Acestea sunt întrebările cu care se confruntă designerii de PCB în fiecare zi. Alegerea corectă sau greșită a strategiei de rutare poate duce la rezultate în care placa fie îndeplinește toate cerințele EMC, fie are probleme cu susceptibilitatea la semnale externe. În acest caz, alegerea ar trebui să fie clară, dar vom reveni la asta mai târziu
Problemele sunt reduse după ce recomandările sunt prioritizate. Ghidurile de proiectare sunt utile doar dacă sunt bine înțelese și dacă fac parte dintr-o strategie completă. Odată ce designerii învață să prioritizeze liniile directoare și să înțeleagă cum ar trebui să fie utilizate acele ghiduri, ei pot proiecta cu pricepere PCB-uri bune.
Următoarele sunt cele patru reguli EMC principale bazate pe caracteristici generale produse electronice. În multe cazuri, designerii PCB încalcă în mod deliberat una dintre aceste reguli în încercarea de a le îndeplini pe altele mai importante.
Regula 1: Minimizați calea curentului semnalului
Această regulă simplă este prezentă în aproape fiecare listă de recomandări EMC, dar adesea este fie ignorată, fie minimizată în favoarea altor recomandări.
Adesea, proiectantul PCB nici măcar nu se gândește la unde curg curenții semnalului și preferă să se gândească la semnale în termeni de tensiune, dar ar trebui să se gândească în termeni de curent.
Există două axiome pe care fiecare proiectant de PCB ar trebui să le cunoască:
- curenții de semnal revin întotdeauna la sursa lor, de ex. calea curentă este o buclă
- curenții de semnal folosesc întotdeauna calea cu impedanță minimă
La frecvențe de câțiva megaherți și mai mari, calea curentului semnalului este relativ ușor de determinat, deoarece există o cale cu impedanță minimă, în caz general, calea cu inductanță minimă. În fig. Figura 2 prezintă două componente pe o placă de circuit imprimat. Un semnal de 50 MHz se deplasează de-a lungul unui conductor peste locul de testare de la componenta A la componenta B.
Știm că aceeași mărime a semnalului trebuie să se propagă înapoi de la componenta B la componenta A. Să presupunem că acest curent (să-i spunem revenire) curge de la borna componentei B, desemnată GND, la terminalul componentei A, denumită și GND. .
Deoarece integritatea poligonului este asigurată, iar bornele, desemnate ca GND, ale ambelor componente sunt situate aproape una de alta, acest lucru duce la concluzia că curentul va lua calea cea mai scurtă între ele (calea 1). Cu toate acestea, acest lucru nu este corect. Curenții de înaltă frecvență aleg calea cu cea mai mică inductanță (sau calea cu aria minimă a buclei, calea cu cea mai mică rotație). Cea mai mare parte a curentului de returnare a semnalului circulă prin poligon pe o cale îngustă chiar sub traseul semnalului (calea 2).
Dacă poligonul a fost realizat dintr-un motiv oarecare cu o decupare așa cum se arată în Figura 3, atunci decupajul 1 ar avea un efect redus asupra integrității și emisiei semnalului. Un alt decupaj 2 poate duce la probleme semnificative; este în conflict cu recomandarea 2. Zona buclei crește semnificativ; curenti inversi atât de intense încât curg de-a lungul limitei de ruptură.
Pe frecvente joase(în general kHz și mai jos), calea cu cea mai mică impedanță tinde să fie calea cu cea mai mică frecvență a semnalului. Pentru un PCB cu poligoane de curent de retur solid, rezistența poligonului tinde să disipeze curentul, astfel încât curentul care curge între două puncte îndepărtate poate fi distribuit pe o zonă mai mare a plăcii, așa cum se arată în Figura 4.
Pe o placă de semnal mixt cu componente analogice și digitale de joasă frecvență, aceasta poate fi o problemă. Figura 5 ilustrează modul în care o ruptură bine plasată într-o groapă de gunoi de pământ poate corecta situația prin captarea curenților de retur de joasă frecvență care curg prin depozitul de deșeuri într-o zonă desemnată.
Regula 2. Nu subdivizați poligonul semnalului de întoarcere
Asta e corect. Tocmai v-am arătat un exemplu excelent într-o situație în care crearea unei întreruperi în poligonul curent al semnalului de întoarcere a fost decizia corectă. Cu toate acestea, ca ingineri tipici EMC, vă sfătuim să nu faceți niciodată acest lucru. De ce? Deoarece multe dintre evoluțiile pe care le-am întâlnit de oameni bine înțeleși au fost rezultatul încălcării neintenționate a Regulii 1 și al creării de goluri în poligoane de întoarcere. Mai mult decât atât, pauză a fost adesea ineficientă și inutilă.
Un punct de vedere este că curentul semnalului de retur analogic ar trebui să fie întotdeauna izolat de curentul semnalului de retur digital. Această idee a apărut atunci când analog și circuite digitale operate la frecvente kilohertzi. De exemplu, plăcile care au fost folosite pentru audio digital au avut adesea probleme de zgomot din cauza influenței curenților de semnal digital de joasă frecvență care călătoreau sub zona plăcii unde erau amplasate amplificatoarele analogice sensibile. Cu ceva timp în urmă, designerii audio au încercat să evite această problemă prin separarea poligoanelor de curent de retur pentru a controla căile de retur și eliminând circuitele de curent analogice de cele digitale.
Studenții noștri sunt rugați să rezolve o problemă de proiectare care necesită protejarea componentelor analogice sensibile (de obicei amplificatoare audio sau oscilatoare blocate în fază) de porțiunea digitală a circuitului prin separarea poligonului de curent al semnalului de retur în așa fel încât curenții LF să fie izolați și curenții HF nu sunt generați De obicei, nu este evident cum se poate realiza acest lucru și, destul de des, întreruperea poligoanelor creează mai multe probleme decât rezolvă.
O situație similară apare la cablarea anvelopelor echipamentelor electronice de automobile sau aviație. În astfel de echipamente, curenții de retur a circuitului digital sunt adesea izolați de carcasa generală pentru a proteja circuitele digitale de deteriorarea cauzată de curenții mari LF care pot trece prin structura metalică a vehiculului. Filtrarea EMI și protecția tranzitorie necesită de obicei conexiuni la șasiu, în timp ce semnalul trebuie transmis în raport cu magistrala digitală de retur.
Când circuitul șasiului și poligoane de curent de retur digital împart aceeași magistrală, ele apar ca un singur poligon cu o discontinuitate. Acest lucru creează uneori confuzie cu privire la ce pământ ar trebui să fie conectat ceva. componentă separată. În această situație, este de obicei o idee bună să rulați magistrala șasiu și întoarcerea digitală pe autobuze separate. Poligonul semnalului de întoarcere digital trebuie să fie solid și să ocupe zona de sub toate componentele digitale, urmele și conectorii. Conexiunea la șasiu ar trebui să fie limitată la zona plăcii de lângă conectori.
Fără îndoială, există situații în care este necesară o pauză bine plasată în poligonul curent de retur. Cu toate acestea, cea mai fiabilă metodă este un poligon continuu pentru toți curenții semnalului de retur. În cazurile în care un separat semnal de joasă frecvență susceptibil la interferență (capabil să se amestece cu alte semnale de pe placă), urmărirea este utilizată pe un strat separat pentru a returna acest curent la sursă. În general, nu utilizați niciodată divizarea sau tăierea în poligonul curent al semnalului de întoarcere. Dacă sunteți totuși convins că o decupare în poligon este necesară pentru a rezolva problema izolării la frecvență joasă, consultați un expert. Nu vă bazați pe recomandările de la proiecta sau pe aplicații și nu încercați să implementați o schemă care a funcționat pentru altcineva într-un alt design similar.
Acum că suntem familiarizați cu cele două reguli principale ale EMC, suntem gata să revizuim problema din Fig. 1. Care dintre alternative este cea mai bună? Prima este singura care nu contravine regulilor. Dacă dintr-un motiv oarecare (dincolo de dorințele de proiectare) a fost necesar un decalaj în zona de pământ, atunci a treia opțiune de cablare este mai acceptabilă. Trasarea de-a lungul discontinuității minimizează zona buclei de curent de semnal.
Regula 3: Nu plasați circuite de mare viteză între conectori
Acesta este unul dintre cele mai multe probleme comune printre modelele de plăci pe care le-am revizuit și evaluat în laboratorul nostru. ÎN plăci simple, care nu ar trebui să aibă defecțiuni în conformitate cu toate cerințele EMC fără niciun cost sau efort suplimentar, ecranarea și filtrarea bune au fost anulate deoarece această regulă simplă a fost încălcată.
De ce este atât de importantă plasarea conectorului? La frecvențe sub câteva sute de megaherți, lungimea de undă este de ordinul unui metru sau mai mult. Conductorii de pe placă - posibile antene - au o lungime electrică relativ scurtă și, prin urmare, funcționează ineficient. Cu toate acestea, cablurile sau alte dispozitive conectate la placă pot fi antene destul de eficiente.
Curenții de semnal care circulă prin conductori și se întorc prin poligoane solide creează căderi mici de tensiune între oricare două puncte ale poligonului. Aceste tensiuni sunt proporționale cu curentul care curge prin poligon. Când toți conectorii sunt plasați pe o margine a plăcii, căderea de tensiune este neglijabilă.
Cu toate acestea, elementele de circuit de mare viteză plasate între conectori pot crea cu ușurință diferențe de potențial între conectori de câțiva milivolți sau mai mult. Aceste tensiuni pot induce curenți de excitație în cablurile conectate, crescând emisiile acestora.
Placa care face totul cerinte tehnice Când conectorii sunt amplasați pe o margine, poate fi un coșmar al inginerului EMC dacă cel puțin un conector cu un cablu atașat este situat pe partea opusă a plăcii. Produsele care prezintă acest tip de problemă (cabluri care transportă tensiuni induse printr-un întreg poligon) sunt deosebit de dificil de restabilit la normal. Adesea, acest lucru necesită o ecranare destul de bună. În multe cazuri, această ecranare ar fi complet inutilă dacă conectorii ar fi amplasați pe o parte sau într-un colț al plăcii.
Regula 4. Timpul de tranziție al semnalului de control
Placă în funcțiune frecvența ceasului 100 MHz nu trebuie să îndeplinească niciodată cerințele atunci când funcționează la 2 GHz. Un semnal digital bine format va avea mai multă putere pe armonicile inferioare și nu prea multă putere pe cele superioare. Prin controlul timpului de tranziție a semnalului, este posibil să se controleze puterea semnalului la armonici mai mari, ceea ce este de preferat pentru EMC. Timpii tranzitori excesiv de lungi pot duce la probleme de integritate a semnalului și probleme termice. În timpul procesului de dezvoltare și proiectare, trebuie făcut un compromis între aceste condiții necesare concurente. Timp de tranziție egal cu aproximativ 20% din perioada semnalului, are ca rezultat o formă de undă acceptabilă, reducând problemele apărute din diafonie și radiații. În funcție de aplicație, timpul de tranziție poate fi mai mult sau mai mic de 20% din perioada semnalului; totuși, acest timp nu ar trebui să fie incontrolabil.
Există trei moduri principale de a modifica marginile semnalelor digitale:
- utilizarea microcircuitelor digitale dintr-o serie a căror performanță se potrivește cu performanța cerută,
- plasarea unui rezistor sau inductor pe ferită în serie cu semnalul de ieșire și
- plasarea unui condensator in paralel cu semnalul de iesire
Prima metodă este adesea cea mai simplă și cea mai eficientă. Utilizarea unui rezistor sau a feritei oferă proiectantului un control mai mare al tranzitorii și un impact mai mic asupra modificărilor care apar în familiile logice în timp. Avantajul utilizării unui condensator de control este că poate fi îndepărtat cu ușurință atunci când nu este necesar. Cu toate acestea, trebuie amintit că condensatorii cresc curentul sursei de semnal RF.
Rețineți că încercarea de a filtra un semnal cu un singur fir pe calea curentului de întoarcere este întotdeauna o idee proastă. De exemplu, nu direcționați niciodată o urmă de joasă frecvență printr-un gol din poligonul de retur în încercarea de a filtra zgomotul de înaltă frecvență. După ce ne uităm la primele două reguli, acest lucru ar trebui să fie evident. Cu toate acestea, plăcile care folosesc această strategie incorectă sunt identificate uneori în laboratorul nostru.
În general, în timpul procesului de proiectare și aranjare a plăcii, prioritățile trebuie stabilite pentru a se conforma cu reglementările EMC. Aceste reguli nu trebuie compromise în încercările de a respecta alte recomandări EMC. Cu toate acestea, există câteva recomandări suplimentare care merită luate în considerare. De exemplu, este important să se asigure o separare adecvată a magistralei de alimentare, să se mențină urmele I/O scurte și să se asigure filtrarea semnalelor de ieșire.
De asemenea, este o idee bună să vă alegeți cu atenție dispozitivele active. Nu toate componentele semiconductoare compatibile cu pin sunt echivalente în ceea ce privește zgomotul. Două dispozitive cu aceiași parametri tehnici, dar realizate de producători diferiți, pot diferi semnificativ în ceea ce privește zgomotul pe care îl creează la pinii de intrare și de ieșire, precum și la pinii de alimentare. Acest lucru este valabil mai ales pentru cipurile foarte integrate, cum ar fi microprocesoarele și aplicațiile mari specifice aplicațiilor. circuite integrate(ASIC). Este o idee bună să evaluați componentele de la diferiți furnizori ori de câte ori este posibil.
În cele din urmă, aruncați o altă privire asupra designului dvs. Chiar dacă sunteți un designer de PCB cu experiență și un expert EMC, este bine să aveți pe cineva care cunoaște analiza EMC și familiarizat cu designul PCB. Lăsați-l să vă examineze critic designul.
În sfatul cui poți avea încredere? Aveți încredere în oricine ale cărui recomandări vă ajută în mod clar să îndepliniți cele patru reguli principale. O mică grijă suplimentară în timpul proiectării poate economisi o mulțime de timp, bani și efort care ar fi irosit încercând ca un produs insolubil să funcționeze corect.
Traducerea articolului:
Dr. Todd Hubing, Dr. Tom Van Doren
Proiectare pentru EMC: TOP 4 GHIDURI
Design și fabricație circuit imprimat, iunie 2003
Dr. Todd Hubing, profesor emerit de inginerie electrică și tehnologia calculatoarelor, a primit de două ori premiul „ Cele mai bune publicații Simpozion” al Simpozionului Internațional al Institutului de Ingineri Electrici și Electronici.
Dr. Tom Van Doren, profesor de inginerie electrică și informatică la Laboratorul de compatibilitate electromagnetică de la Universitatea Missouri-Rolla.
Profiturile din produsele electronice de larg consum sunt strânse, iar producătorii se străduiesc să se mențină cost scăzut produse pentru a menține competitivitatea. Din acest motiv, solicită dezvoltatorilor să folosească plăci de circuite imprimate (PCB) și componente la prețuri reduse, menținând în același timp funcționalitatea dorită a dispozitivelor. Producătorii consideră că asigurarea compatibilităţii electromagnetice (EMC) în proiectarea PCB-ului şi utilizarea componentelor cu nivel inalt EMC este un lux pe care nu și-l pot permite.
Mulți cred că problemele EMC pot fi rezolvate la sfârșitul ciclului de dezvoltare prin componente suplimentare, suprimând interferența electromagnetică. Nu este întotdeauna evident că costul unor astfel de corecții în etapele finale de dezvoltare va fi de multe ori mai mare decât costul asigurării compatibilității electromagnetice în etapele inițiale de proiectare la crearea unui PCB. Astfel, dorința de a reduce costul materialelor și componentelor va duce de fapt la o creștere semnificativă a costului produsului.
Pentru a dezvolta o placă de circuit imprimat cu un nivel scăzut de zgomot și sensibilitate minimă la interferențe, este necesar, în primul rând, să organizați corect circuitul de masă și, în al doilea rând, să dispuneți corect placa de circuit imprimat. Pentru orice PCB este de dorit să existe o impedanță minimă de masă pentru a asigura un flux eficient de curenți atunci când apar interferențe. Pe de altă parte, este un aspect competent condiție prealabilă crearea unui PCB bun. Dirijarea corectă nu numai că reduce impedanța conductorilor, dar evită și cuplarea impedanței comune.
PCB de înaltă frecvență: circuite digitale și zgomot
Digital circuite integrate(IC) care conțin porți logice sunt o sursă de zgomot de impuls din cauza întârzierilor la oprirea tranzistoarelor. De fiecare dată când o poartă logică își schimbă starea, un scurt impuls de curent trece prin tranzistoarele complementare ale etajului de ieșire. Inductanța căilor de masă nu permite curentului să se schimbe brusc, ceea ce duce la o creștere a tensiunii.
Pentru a reduce impactul unei astfel de interferențe, toate circuitele digitale trebuie să aibă o impedanță minimă la masă. Mai mult, lângă fiecare cip logic trebuie instalată o componentă de decuplare pentru a se asigura că calea fluxului curent de impuls nu se va extinde la sursa de alimentare Vcc.
Impedanța la sol poate fi redusă în mai multe moduri: prin reducerea inductanței căii conductoare, reducerea zonei buclelor de curent și reducerea lungimii căilor prin care curge curentul. Acest lucru poate fi realizat parțial prin decuplarea componentelor situate lângă fiecare cip logic.
Reducerea inductanței conductorilor de masă
Inductanța unui conductor este direct proporțională cu lungimea acestuia. Prin urmare, este necesar să se reducă lungimea pistelor de-a lungul cărora curg curenții de impuls. O reducere suplimentară a inductanței este posibilă și prin creșterea lățimii urmelor de putere. Din păcate, inductanța este invers proporțională cu lățimea urmei, iar această abordare nu este foarte eficientă. Drept urmare, lungimea pistei este cea mai mare factor important din punctul de vedere al asigurării inductanţei minime.
Dacă neglijăm inductanța reciprocă, atunci inductanța echivalentă a două piste paralele identice va fi la jumătate. În cazul a patru piste paralele, inductanța echivalentă va fi de patru ori mai mică. Cu toate acestea, există o limită în utilizarea acestei abordări. Faptul este că, dacă pistele sunt aproape una de cealaltă, atunci inductanța reciprocă se apropie de auto-inductanță, iar inductanța echivalentă nu scade. Cu toate acestea, dacă urmele sunt distanțate la o distanță de două ori lățimea lor, se poate obține o reducere de 25% a inductanței.
Astfel, în circuit de înaltă frecvență Ar trebui prevăzute cât mai multe căi paralele alternative pentru curgerea curenților de pământ. Dacă creștem numărul de conductori la infinit, vom ajunge în cele din urmă la un strat de pământ continuu. Utilizarea unui strat de sol separat în plăcile multistrat vă permite să rezolvați un număr mare de probleme simultan.
Dacă despre care vorbim despre o placă cu două straturi, atunci se poate obține un rezultat acceptabil prin implementarea solului sub formă de grilă (Fig. 1). În acest caz, cea mai bună opțiune ar fi atunci când calea de pământ trece sub fiecare microcircuit pe toată lungimea sa. Este permisă utilizarea unui pas vertical al grilei egal cu lungimea IC. Urmele verticale și orizontale pot fi pe părțile opuse ale plăcii, dar trebuie conectate la nodurile rețelei folosind vias.
Orez. 1. Pamantul este realizat sub forma de grila
S-a dovedit că, dacă într-o placă convențională de circuit imprimat pe două fețe cu 15 microcircuite, pământul este realizat sub forma unei rețele, atunci zgomotul de la sol este redus de zece ori. Prin urmare, toate PCB-urile cu dublu strat cu cipuri digitale ar trebui să folosească această soluție.
Reducerea zonei buclelor de curent
O altă metodă de reducere a inductanței este reducerea zonei căilor de curgere a curentului. O placă de circuit imprimat cu o buclă mare deschisă (Figura 2 a) este un generator de zgomot eficient. În plus, circuitul în sine va fi, de asemenea, sensibil la câmpurile magnetice externe.
Luați în considerare o buclă de putere constând din două urme paralele identice - traseul de alimentare Vcc și urmă de masă GND - în care curge curenții. directii opuse. Inductanța lor totală (Lt) este calculată folosind formula 1:
Lt = 2 (L - M) (1)
unde L este inductanța fiecărei piste, iar M este inductanța reciprocă.
Dacă urmele Vcc și pământul sunt plasate aproape una de cealaltă, inductanța reciprocă va fi maximizată și inductanța efectivă va fi redusă la aproape jumătate. În mod ideal, pe un PCB, trasarea Vcc ar trebui să fie paralelă cu trasarea solului. Acest lucru reduce aria buclei de curent și ajută la rezolvarea problemelor asociate cu generarea de zgomot și sensibilitatea la interferențe.
În fig. 2a prezintă un aspect nereușit al plăcii de circuit imprimat, iar Fig. 2 b arată o versiune îmbunătățită. Prin reducerea zonei buclei, a fost posibilă reducerea lungimii pistei și creșterea inductanței reciproce, ceea ce a făcut posibilă obținerea de emisii mai mici și susceptibilitate la interferențe.
Condensatoare de decuplare
În fig. 3, iar urmele de putere și pământ Vcc sunt situate aproape una de alta. Cu toate acestea, calea curentului pulsat care începe și se termină la sursa de alimentare formează o buclă mare (zona verde din figură) care poate genera interferențe electromagnetice. Dacă un condensator ceramic de decuplare Cc este plasat lângă fiecare IC, conectat între Vcc și masă, acesta va acționa ca un element tampon pentru a furniza energie circuitului integrat în timpul de comutare, reducând astfel calea de curgere a curentului.
Orez. 3. Condensator de decuplare
În mod ideal, condensatorul de decuplare ar trebui să fie în jur de 1 nF. Condensatorii ceramici ar trebui să fie utilizați, deoarece sunt capabili să furnizeze o încărcare foarte mare de mare viteză. Curent mare descărcarea și auto-inductanța scăzută le fac alegerea perfecta pentru decuplarea sursei de alimentare.
Cuplaj de impedanță în plăci de circuite imprimate
În fig. Figura 4 prezintă un exemplu de cuplare de impedanță folosind șine comune de putere și masă. În acest circuit, un amplificator analogic împarte șinele de putere și de masă cu o poartă logică. Impedanțele căii sunt afișate ca elemente agregate (Zg și Zs). Pe frecvente mai mari Impedanțele pistelor cresc de multe ori. Acest lucru se întâmplă nu numai datorită creșterii componentei inductive, ci și datorită creșterii rezistenței cauzată de efectul pielii.
Orez. 4. Cuplaj comun de impedanță
După cum am văzut mai devreme, apare o creștere a tensiunii de fiecare dată când o poartă logică este comutată. O parte din impedanța de masă (Zg3) este comună atât pentru amplificator, cât și pentru poarta logică, astfel încât amplificatorul va vedea acest impuls de tensiune ca zgomot în sursa de alimentare. Acest zgomot poate fi transferat la circuitul amplificatorului fie direct prin intrarea de putere, fie prin impedanța comună Zg3. Ca rezultat, zgomotul va apărea direct la intrarea amplificatorului. Pentru a reduce cuplarea impedanței totale, trebuie fie să reduceți valoarea impedanței totale, fie să scăpați complet de ea.
Eliminarea impedanței totale
Impedanța comună poate fi eliminată prin conectarea circuitelor de alimentare ale diferitelor circuite în același punct ("stea"), așa cum se arată în Figura 5. Pentru a face acest lucru, este necesar să grupați circuitele în funcție de nivelul lor de zgomot și susceptibilitatea la interferențe. . În cadrul fiecărei grupe pot fi folosite autobuze comune, dar linii electrice grupuri separate conectați la un moment dat. Această conexiune se numește hibrid. A doua abordare este utilizarea surselor de alimentare separate pentru fiecare grup de circuite, ceea ce îmbunătățește și mai mult izolarea dintre circuite.
Orez. 5. Conexiune la un moment dat
11 decembrie 2016 la 17:48Micile secrete ale plăcilor de rutare cu amplificatoare operaționale și de instrumentare
- Internetul Lucrurilor,
- sunet,
- Electronice pentru începători
- Tutorial
La proiectarea plăcilor
Nimic nu vine atât de ieftin
Și nu este apreciat atât de mult
Cum să urmăriți corect.
În era Internetului lucrurilor și a disponibilității plăcilor cu circuite imprimate, și nu numai folosind tehnologia LUT, proiectarea acestora este adesea realizată de oameni a căror întreagă activitate este legată de tehnologia digitală.
Chiar și atunci când urmărirea este simplă tabla digitala Există reguli nerostite pe care le respect mereu în proiectele mele, iar în cazul dezvoltării dispozitivelor de măsurare cu secțiuni de circuit digital-analogic, acest lucru este pur și simplu necesar.
În acest articol, vreau să atrag designerii începători la o serie de tehnici elementare care ar trebui urmate pentru a obține un circuit de funcționare stabil și pentru a reduce eroarea de măsurare sau a minimiza distorsiunile. calea sunetului. Pentru claritate, informațiile sunt prezentate sub forma a două exemple.
Exemplul numărul doi. Urmărirea unui circuit simplu de amplificator operațional
Orez. 1. Circuit amplificator op-amp
Orez. 2. Două opțiuni pentru trasarea plăcii amplificatorului la amplificatorul operațional
Un mic subiect în afara subiectului, care nu are legătură directă cu subiectul articolului de astăzi
Vă sfătuiesc insistent să utilizați aceeași tehnică atunci când furnizați energie altor tipuri de microcircuite, în special ADC-uri, DAC-uri și numeroși pini de alimentare ale microcontrolerelor. Dacă utilizați module de microcontrolere analogice încorporate - ADC, DAC, comparatoare, surse de tensiune de referință, nu vă leneși să priviți fișa de date și să vedeți ce condensatoare de blocare, în ce cantitate și unde ar trebui instalate. Un circuit de decuplare sub formă de filtru sau cel puțin o rezistență între rețeaua principală putere digitală microcontroler și analogic. Este mai bine să plasați pământul analogic ca un poligon separat sau un strat de ecran și să îl conectați la pământul principal la un moment dat, în unele cazuri este util printr-un filtru
Elementele circuitului părere ar trebui să fie amplasat cât mai aproape de intrarea neinversoare, ceea ce reduce la minimum posibilitatea interferenței cu circuitul de intrare de înaltă impedanță.
Să trecem la un caz mai serios și mai interesant din domeniul măsurătorilor, unde trasarea poate fi extrem de importantă.
Exemplul numărul unu. Urmărirea unui monitor de consum de curent pe un amplificator de instrumente
Orez. 3. Circuitul de monitorizare a curentului folosind amplificatorul operațional de instrumentare
Figura prezintă o diagramă a unui contor de consum de curent. Elementul de măsurare este rezistența de șunt inclusă în circuitul de putere. Sarcina la care se măsoară curentul este R sarcină. Tensiunea măsurată este îndepărtată din rezistență R shunt si filtrat folosind un circuit simetric pe elementele R1, R2, C1-C3. Cipul U2 servește la alimentarea tensiunii de referință. R4, C5 - filtru de ieșire.
Când urmăriți, desigur, trebuie să urmați toate recomandările date mai sus.
Orez. 4. Două opțiuni pentru rutarea plăcii amplificatorului pe un amplificator operațional de instrumentare
Să ne uităm la deficiențele pe care le are diagrama din stânga:
- Deoarece avem o intrare diferențială, este necesar să facem cele două căi ale semnalului cât mai simetrice posibil. Conductoarele liniei de semnal trebuie să fie de aceeași lungime și amplasate aproape unul de celălalt. Ideal la aceeași distanță unul de celălalt;
- IC-ul de referință trebuie să fie situat cât mai aproape de intrarea tensiunii de referință a amplificatorului de instrumente.
Nu țineți un pistol încărcat pe perete. Într-o zi cu siguranță va trage și va alege cel mai incomod moment pentru asta.
