Analisi e mitigazione del rumore dell'alimentatore nel processo di progettazione di PCB ad alta frequenza

In PCB ad alta frequenzaIl rumore dell'alimentatore si distingue come una forma significativa di interferenza. Questo articolo conduce un'analisi completa delle caratteristiche e delle origini del rumore dell'alimentatore nei PCB ad alta frequenza e offre soluzioni pratiche ed efficaci basate su applicazioni ingegneristiche.

UN.Analisi del rumore dell'alimentatore

Il rumore dell'alimentatore si riferisce al rumore generato o interrotto dall'alimentatore stesso. Questa interferenza è evidente nei seguenti aspetti:

1. Rumore distribuito risultante dalimpedenza intrinseca dell'alimentatore. Nei circuiti ad alta frequenza, il rumore dell'alimentatore ha un impatto significativo sui segnali ad alta frequenza. Pertanto, il requisito iniziale è un basso rumoreAlimentazione elettricaAltrettanto cruciali sono la pulizia della messa a terra e dell'alimentazione elettrica.

In uno scenario ideale, l'alimentazione sarebbesenza impedenza, con conseguente assenza di rumore. Tuttavia, in pratica, l'alimentatore presenta una certa impedenza, che è distribuita su tutto l'alimentatore, con conseguente sovrapposizione di rumore. Pertanto, è necessario sforzarsi di ridurre al minimo l'impedenza dell'alimentatore. È preferibile disporre di un circuito dedicato aereo di potenzaEpiano di terraNella progettazione di circuiti ad alta frequenza, è generalmente più efficace progettare l'alimentatore a strati piuttosto che in un formato bus, garantendo che il loop segua costantemente il percorso con la minore impedenza. Inoltre, la scheda di alimentazione fornisce unanello di segnaleper tutti i segnali generati e ricevuti sul PCB, riducendo così al minimo il loop del segnale e il rumore.

2. Interferenza di campo di modo comune: questo tipo di interferenza riguarda il rumore tra l'alimentatore e la terra. Deriva dall'interferenza causata da un anello formato dal circuito interrotto e dalla tensione di modo comune risultante dalla superficie di riferimento comune. L'entità dipende dai campi elettrico e magnetico relativi e la sua intensità è relativamente bassa.

In questo scenario, la diminuzione della corrente (Ic) porta a una tensione di modo comune nella serieanello di corrente, impattando la sezione ricevente. Se ilcampo magneticopredomina, la tensione di modo comune generata nel circuito di terra in serie è data dalla formula:

ΔB nella formula (1) rappresenta la variazione dell'intensità dell'induzione magnetica, misurata in Wb/m²; S indica l'area in m².

Per uncampo elettromagnetico, quando il campo elettrico valore è noto, la tensione indotta è data dall'equazione (2), che è generalmente applicabile quando L=150/F o meno, con F che rappresenta ilfrequenza delle onde elettromagnetichein MHz. Se questo limite viene superato, il calcolo della tensione indotta massima può essere semplificato come segue:

3. Interferenza di campo in modalità differenziale: si riferisce all'interferenza tra l'alimentazione e illinea di alimentazione in ingresso e in uscitaSNella progettazione effettiva del PCB, l'autore ha osservato che il suo contributo al rumore dell'alimentatore è minimo e quindi può essere omesso qui.
4. Interferenza interlineare: Questo tipo di interferenza riguarda l'interferenza tra linee elettriche. Quando sono presenti capacità mutua (C) e induttanza mutua (M1-2) tra due diversi circuiti paralleli, l'interferenza si manifesterà nel circuito interferito se nel circuito sorgente dell'interferenza sono presenti tensione (VC) e corrente (IC):
   1. La tensione accoppiata attraverso l'impedenza capacitiva è data dall'equazione (4), dove RV rappresenta il valore parallelo dell'resistenza quasi-estremitàe ilresistenza all'estremità lontanadelcircuito interferito.
   2. Resistenza in serie tramite accoppiamento induttivo: se nella sorgente di interferenza è presente rumore di modo comune, l'interferenza interlinea si manifesta generalmente sia in modo comune che in modo differenziale.
5. Accoppiamento della linea elettrica: Questo fenomeno si verifica quando la linea elettrica trasmette interferenze ad altri dispositivi dopo essere stata sottoposta ainterferenza elettromagnetica da CA o CC fonte di energiaCiò rappresenta una forma indiretta di interferenza del rumore dell'alimentazione elettrica circuito ad alta frequenzaSÈ importante notare che il rumore dell'alimentatore potrebbe non essere necessariamente autogenerato, ma potrebbe anche derivare dall'induzione di interferenze esterne, che portano alla sovrapposizione (irradiata o condotta) del rumore generato dall'alimentatore stesso, interferendo così con altri circuiti o dispositivi.

• Contromisure per eliminare le interferenze di rumore dell'alimentazione elettrica

Considerando le diverse manifestazioni e cause di interferenza acustica dell'alimentatore analizzate in precedenza, è possibile interrompere in modo mirato le condizioni che determinano l'insorgenza di rumore nell'alimentatore, sopprimendo efficacemente l'interferenza. Si consigliano le seguenti soluzioni:

• Attenzione aForo passante per schedas: I fori passanti necessitanoapertura dell'incisiones sulstrato di alimentazione per consentire il loro passaggio. Se l'apertura dello strato di potenza è troppo grande, può influenzare il loop del segnale, forzando il segnale a bypassare e aumentando l'area del loop e il rumore. Se alcune linee di segnale sono concentrate vicino all'apertura e condividono questo loop, l'impedenza comune può portare a diafonia.
• Filo di terra sufficiente per i cavi: ogni segnale richiede il proprio circuito di segnale dedicato, con l'area del segnale e del circuito mantenute le più piccole possibile, garantendo un allineamento parallelo.
• Posizionamento del filtro antirumore dell'alimentatore: questo filtro sopprime efficacemente il rumore interno dell'alimentatore, migliorando il sistemaanti-interferenza e sicurezza. Serve come un bidirezionaleFiltro RF, filtrando le interferenze di rumore introdotte dalla linea elettrica (impedendo interferenze da altri dispositivi) e il rumore generato da esso stesso (per evitare interferenze con altri dispositivi), nonché le interferenze di modo comune cross-mode.
• Isolamento di potenzaTrasformatore: Ciò isola il loop di terra in modo comune delcavo di alimentazione o cavo di segnale, separando efficacemente la corrente di circuito di modo comune generata ad alte frequenze.
• Regolazione della potenza: il ripristino di un'alimentazione più pulita può ridurre significativamente il rumore dell'alimentatore.
• Cablaggio: le linee di ingresso e di uscita dell'alimentatore devono essere tenute lontane dal bordo della scheda dielettrica per evitare di generare radiazioni e interferire con altri circuiti o apparecchiature.
• Alimentatori analogici e digitali separati: i dispositivi ad alta frequenza sono generalmente molto sensibili al rumore digitale, quindi i due devono essere isolati e collegati tra loro all'ingresso dell'alimentatore. Se un segnale deve attraversare sia il dominio analogico che quello digitale, è possibile posizionare un loop sul segnale per ridurne l'area.
• Evitare di sovrapporre alimentatori separati tra diversi strati: provare a sfalsarli per evitare che il rumore dell'alimentatore venga facilmente accoppiato tramite capacità parassita.
• Isolare i componenti sensibili: componenti come i circuiti ad aggancio di fase (PLL) sono estremamente sensibili al rumore dell'alimentatore e devono essere tenuti il ​​più lontano possibile dall'alimentatore.
• Posizionamento del cavo di alimentazione: posizionando un cavo di alimentazione lungo la linea del segnale è possibile ridurre il loop del segnale e ottenere una riduzione del rumore.
• Messa a terra del percorso di bypass: per evitare l'accumulo di rumore causato dall'interferenza dell'alimentazione sulla scheda del circuito e dall'interferenza dell'alimentazione esterna, il percorso di bypass può essere messo a terra sul percorso di interferenza (escluse le radiazioni), consentendo al rumore di essere bypassato a terra ed evitando interferenze con altri dispositivi e apparecchiature.

Insomma:Il rumore dell'alimentatore, generato direttamente o indirettamente dall'alimentatore, interferisce con il circuito. Per sopprimere la sua influenza sul circuito, è necessario seguire un principio generale: ridurre al minimo l'impatto del rumore dell'alimentatore sul circuito, riducendo al contempo l'influenza di fattori esterni o del circuito sull'alimentatore, per prevenire il degrado del rumore dell'alimentatore.