高周波PCBの干渉防止に関する研究
PCBボードの設計では、周波数が急激に増加すると、低周波PCBボードの設計とは異なる多くの干渉が発生します。さらに、周波数が高くなるにつれて、PCBボードの小型化と低コスト化の矛盾がますます顕著になっています。これらの障害はますます複雑になっています。実際の調査では、電源ノイズ、伝送線路干渉、結合、電磁干渉(EMI)の4つの主要な干渉があると結論付けました。高周波PCBのさまざまな干渉問題の分析と作業の実践を組み合わせることで、効果的なソリューションを提案します。
電源ノイズ入力
高周波回路では、電源のノイズが高周波信号に特に明らかな影響を与えます。したがって、最初の要件は、電源が低ノイズであることです。ここでは、クリーンなグランドはクリーンな電源と同じくらい重要です。なぜでしょうか。電源特性を図1に示します。当然、電源には一定のインピーダンスがあり、そのインピーダンスは電源全体に分布しているため、ノイズも電源に重畳されます。その場合、電源のインピーダンスをできるだけ下げる必要があるため、専用の電源層とグランド層を用意するのが最善です。高周波回路設計では、電源は層状に設計され、ほとんどの場合、バス形式の設計よりもはるかに優れているため、ループは常に最小のインピーダンスで経路をたどることができます。さらに、電源ボードは、PCB上で生成および受信されるすべての信号に対して信号ループを提供する必要があるため、信号ループを最小限に抑えて、低周波回路設計者が見落としがちなノイズを低減できます。
PCB設計で電源ノイズを除去する方法はいくつかあります。
1.ボードの貫通穴に注意してください:貫通穴により、貫通穴が通過するスペースを残すために、パワー層に開口部をエッチングする必要があります。パワー層の開口部が大きすぎると、必然的に信号ループに影響を与え、信号がバイパスされ、ループ面積が増加し、ノイズが増加します。同時に、一部の信号線が開口部付近に集中し、このループを共有すると、共通インピーダンスによってクロストークが発生します。
2.接続線には十分なアース線が必要です:各信号には独自の信号ループが必要であり、ループ領域は??信号とループはできるだけ小さくする、つまり信号とループを並列にする必要があります。
3.アナログ電源とデジタル電源の電源を分離する必要があります:高周波デバイスは一般にデジタルノイズに非常に敏感であるため、電源の入り口で2つを分離して接続する必要があります。信号がアナログ部とデジタル部を交差させる必要がある場合は、交差部にループを配置してループ面積を減らすことができます。
4.異なる層間で別々の電源が重複しないようにします:そうしないと、回路ノイズが寄生容量を介して簡単に結合されます。
5. 敏感な部品を隔離して下さい:PLLのような。
6.電源線を配置する:信号ループを減らすには、信号線の端に電源線を配置してノイズを減らします
高周波PCB干渉防止研究
PCBには、ストリップラインとマイクロ波ラインの2つの伝送ラインしかありません。伝送線路の最大の問題は反射です。リフレクションは多くの問題を引き起こします。たとえば、負荷信号は元の信号とエコー信号になります。重ね合わせは信号解析の難易度を高めます。反射はリターンロス(リターンロス)を引き起こし、信号への影響は付加ノイズ干渉の影響と同じくらい深刻です。
1.信号源に反射された信号は、システムノイズを増加させ、受信を困難にします。
2.反射信号は基本的に信号品質を低下させ、入力信号の形状を変化させます。一般的に言えば、解決策は主にインピーダンス整合ですが(たとえば、相互接続インピーダンスはシステムのインピーダンスと非常によく一致する必要があります)、インピーダンスの計算が面倒な場合があります。伝送線路のインピーダンス計算ソフトを参考にしてください。
PCB設計における伝送線路の干渉を排除する方法は次のとおりです。
(a)伝送線路のインピーダンスの不連続性を回避します。インピーダンスが不連続になる点は、伝送線路が直線のコーナーやビアなど急激に変化する点であり、できるだけ避けるべきです。方法は、トレースのまっすぐな角を避け、できるだけ45°の角度または円弧を描くようにし、大きな曲がりも可能です。各ビアはインピーダンスの不連続点であり、外層の信号は内層を通過しないようにし、その逆も同様であるため、ビアの使用はできるだけ少なくしてください。
(b) 杭打ち線は使用しないでください。なぜなら、スタブはノイズの発生源だからです。スタブラインが短い場合は、伝送ラインの終端で終端できます。スタブラインが長い場合、メインの伝送ラインがソースとして使用され、大きな反射が発生して問題が複雑になるため、使用することはお勧めしません。
結合
1.共通インピーダンス結合:これは共通の結合チャネルであり、干渉源と干渉デバイスは、多くの場合、特定の導体(ループ電源、バス、共通接地など)を共有します。
2.界磁コモンモード結合により、放射源は干渉回路とコモンリファレンスプレーンによって形成されるループにコモンモード電圧を引き起こします。磁界が支配的な場合、直列グランドループで発生するコモンモード電圧の値はVcm=-(△B/△t)*面積(△B=磁気誘導強度の変化)です。電磁界であれば、電界値、誘導電圧:Vcm=(L*h*F*E)/48の場合、式はL(m)=150MHz以下に適用でき、この限界を超えると、最大誘導電圧の計算はVcm= 2*h*Eのように簡略化できます。
3.ディファレンシャルモードフィールドカップリング:直接放射が誘導され、回路基板とそのループ上のワイヤペアまたはリード線によって受信されることを指します。2本のワイヤーにできるだけ近づけば。このカップリングが大幅に削減されるため、2本のワイヤを撚り合わせて干渉を減らすことができます。
4.ライン間結合(クロストーク)は、任意のラインを並列回路間の望ましくない結合と等しくする可能性があり、システムのパフォーマンスに深刻なダメージを与えます。そのタイプは、容量性クロストークと誘導性クロストークに分けることができます。前者は、ライン間の寄生容量が電流注入によってノイズ源のノイズをノイズ受信ラインに結合させるためです。後者は、望ましくない寄生トランスの1次段と2次段の間の信号の結合として想像できます。誘導性クロストークの大きさは、2つのループの近接性、ループ面積の大きさ、および影響を受ける負荷のインピーダンスによって異なります。
5.電力線の結合:ACまたはDC電力線が電磁干渉を受けた後、電力線がこれらの干渉を他のデバイスに送信することを指します。
PCB設計でクロストークを除去する方法はいくつかあります。
1.どちらのタイプのクロストークも負荷インピーダンスの増加とともに増加するため、クロストークによる干渉に敏感な信号線は適切に終端する必要があります。
2.信号線間の距離をできるだけ長くして、容量性クロストークを効果的に低減します。グランド層管理を行い、配線間の間隔を空け(たとえば、アクティブな信号線とアース線、特に状態が遷移した信号線とグランド線の間を分離する)、リード線のインダクタンスを低減します。
3.隣接する信号線の間にアース線を挿入することで、容量性クロストークを効果的に低減することもできます。このアース線は、1/4波長ごとにアースに接続する必要があります。
4.誘導性クロストークの場合、ループ面積を可能な限り削減し、許容される場合はこのループを排除する必要があります。
5.信号共有ループを避けます。
6. シグナルインテグリティを重視する:設計者は、シグナルインテグリティを解決するために、溶接プロセス中に終端を実装する必要があります。この方法を採用する設計者は、優れたシグナルインテグリティ性能を得るために、シールド銅箔のマイクロストリップの長さに着目することができます。通信構造に高密度コネクタを使用するシステムの場合、設計者は終端にPCBを使用できます。
電磁干渉
速度が上がるにつれて、EMIはますます深刻になり、多くの側面(相互接続での電磁干渉など)で現れますが、高速デバイスはこれに特に敏感であり、高速の偽信号を受信し、低速デバイスはそのような偽信号を無視します。
PCB設計における電磁干渉を排除するには、いくつかの方法があります。
1.ループを減らす:各ループはアンテナに相当するため、ループの数、ループ面積、ループアンテナ効果を最小限に抑える必要があります。信号のループ経路が任意の 2 点に 1 つしかないことを確認し、人為的なループを避けて、電力層の使用を試みます。
2.フィルタリング:フィルタリングを使用して、電源ラインと信号ラインの両方でEMIを低減できます。デカップリングコンデンサ、EMIフィルタ、磁気部品の3つの方式があります。
3.シールド。スペースの問題やブロッキングについて論じた記事が多いため、詳しくは紹介しません。
4.高周波デバイスの速度を落とすようにしてください。
5. PCBボードの誘電率を上げると、ボードに近い伝送線路などの高周波部品が外側に放射するのを防ぐことができます。PCBボードの厚さを増やし、マイクロストリップラインの厚さを最小限に抑えることで、電磁ワイヤのオーバーフローを防ぎ、放射線を防ぐこともできます。
この時点で、高周波PCBの設計では、次の原則に従う必要があることを要約できます。
1.電源とアースは統一されており、安定しています。
2.慎重な配線と適切な終端により、反射をなくすことができます。
3.慎重な配線と適切な終端により、容量性および誘導性のクロストークを低減できます。
4. EMC要求事項を満たすためにノイズを抑制する必要がある。