Análise e Mitigação do Ruído da Fonte de Alimentação no Processo de Projeto de PCBs de Alta Frequência

Em placa de circuito impresso de alta frequênciaEm circuitos integrados de alta frequência, o ruído da fonte de alimentação se destaca como uma forma significativa de interferência. Este artigo realiza uma análise abrangente das características e origens do ruído da fonte de alimentação em placas de circuito impresso de alta frequência e oferece soluções práticas e eficazes baseadas em aplicações de engenharia.

UM.Análise do ruído da fonte de alimentação

Ruído da fonte de alimentação refere-se ao ruído gerado ou interrompido pela própria fonte de alimentação. Essa interferência é evidente nos seguintes aspectos:

1. Ruído distribuído resultante deimpedância inerente da fonte de alimentação. Em circuitos de alta frequência, o ruído da fonte de alimentação impacta significativamente os sinais de alta frequência. Portanto, o requisito inicial é um baixo ruído.fonte de energiaIgualmente cruciais são um aterramento limpo e uma fonte de energia adequada.

Em um cenário ideal, a fonte de alimentação seriasem impedância, resultando em ausência de ruído. No entanto, na prática, a fonte de alimentação possui uma certa impedância, que é distribuída por toda a sua extensão, levando à sobreposição de ruído. Portanto, devem ser feitos esforços para minimizar a impedância da fonte de alimentação. É preferível ter uma fonte dedicada. plano de potênciaeplano de terraEm projetos de circuitos de alta frequência, geralmente é mais eficaz projetar a fonte de alimentação em camadas em vez de em formato de barramento, garantindo que o circuito siga consistentemente o caminho com a menor impedância. Além disso, a placa de alimentação fornece umalaço de sinalpara todos os sinais gerados e recebidos na placa de circuito impresso, minimizando assim o loop de sinal e reduzindo o ruído.

2. Interferência de Campo de Modo Comum: Este tipo de interferência refere-se ao ruído entre a fonte de alimentação e o terra. Surge da interferência causada por um circuito fechado formado pela interrupção do circuito e pela tensão de modo comum resultante da superfície de referência comum. A magnitude depende dos campos elétrico e magnético relativos, e sua intensidade é relativamente baixa.

Nesse cenário, a diminuição da corrente (Ic) leva a uma tensão de modo comum na série.laço atual, afetando a seção receptora. Se ocampo magnéticopredomina, a tensão de modo comum gerada no circuito de aterramento em série é dada pela fórmula:

ΔB na fórmula (1) representa a variação na intensidade da indução magnética, medida em Wb/m².²; S representa a área em m²².

Para umcampo eletromagnético, quando o campo elétrico Se o valor for conhecido, a tensão induzida é dada pela Equação (2), que é geralmente aplicável quando L = 150/F ou menos, sendo F o valor.frequência da onda eletromagnéticaem MHz. Se esse limite for excedido, o cálculo da tensão induzida máxima pode ser simplificado da seguinte forma:

3. Interferência de Campo em Modo Diferencial: Refere-se à interferência entre a fonte de alimentação e olinha de alimentação de entrada e saídasNa prática do projeto de PCB, o autor observou que sua contribuição para o ruído da fonte de alimentação é mínima e, portanto, pode ser omitida aqui.
4. Interferência entre linhasEste tipo de interferência refere-se à interferência entre linhas de energia. Quando existe capacitância mútua (C) e indutância mútua (M1-2) entre dois circuitos paralelos diferentes, a interferência se manifestará no circuito afetado se houver tensão (VC) e corrente (IC) no circuito da fonte de interferência.
   1. A tensão acoplada através da impedância capacitiva é dada pela Equação (4), onde RV representa o valor paralelo doresistência próxima ao finale oresistência de extremidade distantedocircuito interferido.
   2. Resistência em série por acoplamento indutivo: Se houver ruído de modo comum na fonte de interferência, a interferência entre linhas geralmente aparece tanto no modo comum quanto no modo diferencial.
5. Acoplamento de linha de energiaEsse fenômeno ocorre quando a linha de energia transmite interferências para outros dispositivos após ser submetida ainterferência eletromagnética de corrente alternada (CA) ou corrente contínua (CC). fonte de alimentaçãoIsso representa uma forma indireta de interferência de ruído na fonte de alimentação. circuito de alta frequênciasÉ importante notar que o ruído da fonte de alimentação pode não ser necessariamente autogerado, mas também pode resultar da indução de interferência externa, levando à sobreposição (irradiada ou conduzida) do ruído gerado por ela mesma, interferindo assim em outros circuitos ou dispositivos.

• Contramedidas para eliminar a interferência de ruído na fonte de alimentação

Considerando as diversas manifestações e causas de interferência de ruído na fonte de alimentação analisadas acima, as condições que levam ao ruído na fonte de alimentação podem ser especificamente eliminadas, suprimindo efetivamente a interferência. As seguintes soluções são recomendadas:

• Atenção aPlaca com furo passantes: Furos passantes necessitamabertura de gravuras nocamada de fonte de alimentação para acomodar sua passagem. Se a abertura na camada de potência for muito grande, pode afetar o circuito de sinal, forçando o sinal a contorná-lo e aumentando a área do circuito e o ruído. Se certas linhas de sinal estiverem concentradas perto da abertura e compartilharem esse circuito, a impedância comum pode levar à diafonia.
• Fio terra suficiente para os cabos: Cada sinal requer seu próprio circuito de sinal dedicado, com a área do sinal e do circuito mantida o menor possível, garantindo o alinhamento paralelo.
• Posicionamento do filtro de ruído da fonte de alimentação: Este filtro suprime eficazmente o ruído interno da fonte de alimentação, melhorando o desempenho do sistema.anti-interferência e segurança. Serve como um sistema bidirecional.Filtro de RF, filtrando a interferência de ruído introduzida pela linha de energia (impedindo interferência de outros dispositivos) e o ruído gerado por si próprio (para evitar interferência com outros dispositivos), bem como a interferência de modo comum entre modos diferentes.
• Isolamento de energiaTransformadorIsso isola o loop de terra de modo comum docabo de alimentação ou de sinal, separando efetivamente a corrente de modo comum gerada em altas frequências.
• Regulação de energia: Restaurar uma fonte de alimentação mais limpa pode reduzir significativamente o ruído da fonte de alimentação.
• Fiação: Os cabos de entrada e saída da fonte de alimentação devem ser mantidos afastados da borda da placa dielétrica para evitar a geração de radiação e interferências com outros circuitos ou equipamentos.
• Fontes de alimentação analógica e digital separadas: Dispositivos de alta frequência são geralmente muito sensíveis a ruídos digitais, portanto, os dois devem ser isolados e conectados juntos na entrada da fonte de alimentação. Se um sinal precisar atravessar os domínios analógico e digital, um loop pode ser colocado sobre o sinal para reduzir a área do loop.
• Evite sobrepor fontes de alimentação separadas entre diferentes camadas: tente escaloná-las para evitar que o ruído da fonte de alimentação seja facilmente acoplado através da capacitância parasita.
• Isole os componentes sensíveis: Componentes como os circuitos de travamento de fase (PLLs) são altamente sensíveis a ruídos da fonte de alimentação e devem ser mantidos o mais longe possível da mesma.
• Posicionamento do cabo de alimentação: Colocar o cabo de alimentação junto ao cabo de sinal pode reduzir o loop de sinal e obter redução de ruído.
• Aterramento do caminho de bypass: Para evitar o acúmulo de ruído causado por interferência da fonte de alimentação na placa de circuito e interferência de fonte de alimentação externa, o caminho de bypass pode ser aterrado no caminho de interferência (excluindo radiação), permitindo que o ruído seja desviado para o terra e evitando interferência com outros dispositivos e equipamentos.

Para concluir:O ruído da fonte de alimentação, seja gerado direta ou indiretamente pela própria fonte, interfere no circuito. Ao suprimir sua influência, deve-se seguir um princípio geral: minimizar o impacto do ruído da fonte de alimentação no circuito, reduzindo também a influência de fatores externos ou do próprio circuito sobre a fonte de alimentação, para evitar a degradação causada pelo ruído.