高周波プリント基板の干渉防止に関する研究
PCBボードの設計では、周波数が急速に増加すると、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、周波数が増加するにつれて、PCBボードの小型化と低コストの間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化しています。実際の研究では、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を分析することにより、作業の実践と組み合わせて、効果的な解決策が提案されます。
電源ノイズ入力
高周波回路では、電源のノイズは高周波信号に特に明白な影響を及ぼします。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、クリーンな地盤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。電源の特性を図1に示します。明らかに、電源には一定のインピーダンスがあり、インピーダンスは電源全体に分散されているため、ノイズも電源に重畳されます。次に、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、電源は層の形で設計され、ほとんどの場合、バスの形で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パス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ることができるため、低周波回路設計者が見落としがちなノイズが低減されます。
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.ボード上の貫通穴に注意してください:貫通穴は、貫通穴が通過するためのスペースを残すために、電力層が開口部をエッチングする必要があります。電源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及ぼし、信号はバイパスを余儀なくされ、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の近くに集中し、このループを共有すると、共通のインピーダンスがクロストークを引き起こします。
2.接続ワイヤ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必要があります、つまり、信号とループは並列である必要があります。
3.アナログ電源とデジタル電源の電源は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。信号がアナログ部品とデジタル部品を交差させる必要がある場合は、交差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ならないようにする:そうしないと、回路ノイズが寄生容量によって容易に結合されます。
5. PLLなどの敏感なコンポーネントを分離します。
6.電力線を配置する:信号ループを減らすには、信号線の端に電力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的なノイズ干渉の影響と同じくらい深刻です。
1.信号源に反射して戻ってくる信号は、システムノイズを増加させ、受信を行います マシンがノイズと信号を区別することがより困難になります。
2.反射信号は基本的に信号品質を劣化させ、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マッチングです(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)が、インピーダンス計算がより面倒な場合があります。一部の伝送線路インピーダンス計算ソフトウェアを参照できます。
PCB設計で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不連続性を避けてください。インピーダンスが不連続な点は、直線の角やビアなど、伝送線路が急激に変化する点であり、できるだけ避ける必要があります。方法は次のとおりです:トレースの直線的な角を避け、可能な限り45°の角度または円弧を狙うようにしてください、そして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、外層の信号が内層を通過したり、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) ステークラインは使用しないでください。なぜなら、どのスタブもノイズの原因になるからです。スタブ・ラインが短い場合は、伝送ラインの最後で終了できます。スタブラインが長いと、メインの伝送線路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
1.一般的なインピーダンス結合:これは共通の結合チャネルであり、つまり、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、コモングランドなど)を共有します。
2.フィールドコモンモードカップリングにより、放射源は、干渉回路と共通基準面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生成され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)となります。それが電磁界である場合、その電界値、その誘導電圧がVcm =(L * h * F * E)/ 48の場合、式はL(m)= 150MHz以下に適用でき、この制限を超えると、最大誘導電圧の計算は次のように簡略化できます:Vcm = 2 * h * E。
3.ディファレンシャルモードフィールドカップリング: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誘導および受信される直接放射を指します。2本のワイヤーにできるだけ近い場合。この結合は大幅に減少するため、2本のワイヤを一緒にねじっ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損害を与えます。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により、電流注入によってノイズ源のノイズがノイズ受信ラインに結合されるためです。後者は、望ましくない寄生トランスの一次段と二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つのループの近接度、ループ領域のサイズ、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排除するには、いくつかの方法があります。
1. どちらのクロストークも負荷インピーダンスの増加に伴って増加するため、クロストークによる干渉に敏感な信号ライン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広げて、容量性クロストークを効果的に低減します。グランド層の管理を行い、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を分離し、特に遷移状態を持つ信号線とグランド線の間)、リード線のインダクタンスを減らします。
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、ループ領域を可能な限り縮小し、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に焦点を当てる: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焦点を当てることができます。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、高速デバイスはこれに特に敏感で、高速の誤信号を受信し、低速デバイスはそのような誤信号を無視します。
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、ループ領域、およびループアンテナの影響を最小限に抑える必要があります。信号のループ パスが任意の 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、パワー レイヤーを使用してみてください。
2.フィルタリング:フィルタリングを使用して、電力線と信号線の両方で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つの方法があります。
3.シールド。スペースの問題とブロッキングについて議論している多くの記事のため、それらについては詳しく説明しません。
4.高周波デバイスの速度を下げてみてください。
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と、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。
議論のこの時点で、高周波PCB設計では、次の原則に従う必要があると要約できます。
1.電源とアースが統一され、安定しています。
2.慎重な配線と適切な終端により、反射を排除できます。
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減らすことができます。
4. EMCの要求を満たすためには、ノイズを抑制する必要があります。
電源ノイズ入力
高周波回路では、電源のノイズは高周波信号に特に明白な影響を及ぼします。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、クリーンな地盤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。電源の特性を図1に示します。明らかに、電源には一定のインピーダンスがあり、インピーダンスは電源全体に分散されているため、ノイズも電源に重畳されます。次に、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、電源は層の形で設計され、ほとんどの場合、バスの形で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パス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ることができるため、低周波回路設計者が見落としがちなノイズが低減されます。
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.ボード上の貫通穴に注意してください:貫通穴は、貫通穴が通過するためのスペースを残すために、電力層が開口部をエッチングする必要があります。電源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及ぼし、信号はバイパスを余儀なくされ、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の近くに集中し、このループを共有すると、共通のインピーダンスがクロストークを引き起こします。
2.接続ワイヤ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必要があります、つまり、信号とループは並列である必要があります。
3.アナログ電源とデジタル電源の電源は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。信号がアナログ部品とデジタル部品を交差させる必要がある場合は、交差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ならないようにする:そうしないと、回路ノイズが寄生容量によって容易に結合されます。
5. PLLなどの敏感なコンポーネントを分離します。
6.電力線を配置する:信号ループを減らすには、信号線の端に電力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的なノイズ干渉の影響と同じくらい深刻です。
1.信号源に反射して戻ってくる信号は、システムノイズを増加させ、受信を行います マシンがノイズと信号を区別することがより困難になります。
2.反射信号は基本的に信号品質を劣化させ、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マッチングです(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)が、インピーダンス計算がより面倒な場合があります。一部の伝送線路インピーダンス計算ソフトウェアを参照できます。
PCB設計で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不連続性を避けてください。インピーダンスが不連続な点は、直線の角やビアなど、伝送線路が急激に変化する点であり、できるだけ避ける必要があります。方法は次のとおりです:トレースの直線的な角を避け、可能な限り45°の角度または円弧を狙うようにしてください、そして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、外層の信号が内層を通過したり、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) ステークラインは使用しないでください。なぜなら、どのスタブもノイズの原因になるからです。スタブ・ラインが短い場合は、伝送ラインの最後で終了できます。スタブラインが長いと、メインの伝送線路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
1.一般的なインピーダンス結合:これは共通の結合チャネルであり、つまり、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、コモングランドなど)を共有します。
2.フィールドコモンモードカップリングにより、放射源は、干渉回路と共通基準面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生成され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)となります。それが電磁界である場合、その電界値、その誘導電圧がVcm =(L * h * F * E)/ 48の場合、式はL(m)= 150MHz以下に適用でき、この制限を超えると、最大誘導電圧の計算は次のように簡略化できます:Vcm = 2 * h * E。
3.ディファレンシャルモードフィールドカップリング: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誘導および受信される直接放射を指します。2本のワイヤーにできるだけ近い場合。この結合は大幅に減少するため、2本のワイヤを一緒にねじっ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損害を与えます。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により、電流注入によってノイズ源のノイズがノイズ受信ラインに結合されるためです。後者は、望ましくない寄生トランスの一次段と二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つのループの近接度、ループ領域のサイズ、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排除するには、いくつかの方法があります。
1. どちらのクロストークも負荷インピーダンスの増加に伴って増加するため、クロストークによる干渉に敏感な信号ライン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広げて、容量性クロストークを効果的に低減します。グランド層の管理を行い、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を分離し、特に遷移状態を持つ信号線とグランド線の間)、リード線のインダクタンスを減らします。
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、ループ領域を可能な限り縮小し、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に焦点を当てる: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焦点を当てることができます。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、高速デバイスはこれに特に敏感で、高速の誤信号を受信し、低速デバイスはそのような誤信号を無視します。
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、ループ領域、およびループアンテナの影響を最小限に抑える必要があります。信号のループ パスが任意の 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、パワー レイヤーを使用してみてください。
2.フィルタリング:フィルタリングを使用して、電力線と信号線の両方で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つの方法があります。
3.シールド。スペースの問題とブロッキングについて議論している多くの記事のため、それらについては詳しく説明しません。
4.高周波デバイスの速度を下げてみてください。
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と、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。
議論のこの時点で、高周波PCB設計では、次の原則に従う必要があると要約できます。
1.電源とアースが統一され、安定しています。
2.慎重な配線と適切な終端により、反射を排除できます。
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減らすことができます。
4. EMCの要求を満たすためには、ノイズを抑制する必要があります。