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Technologie PCB
Optimisation des performances anti - bruit des circuits de signaux hybrides
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Optimisation des performances anti - bruit des circuits de signaux hybrides

Optimisation des performances anti - bruit des circuits de signaux hybrides

2021-08-24
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Author:IPCB

In this article, we will discuss proximity effects and discuss how to apply knowledge about proximity effects and skin effects to circuit Plaque wiring and signal paths to minimize the impact of noise on the system. En même temps, we will also discuss other types of noise sources and methods to reduce these noises in order to ultimately minimize the noise in the circuit.

Effet de proximité

L'effet de proximité se réfère à l'interaction de deux conducteurs adjacents dont le courant s'écoule dans la direction opposée, de sorte que le courant tend à se concentrer dans la zone adjacente, comme le montre la figure 1.

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Figure 1. The proximity effect makes currents flowing in opposite high-frequency currents always keep as close as possible


En raison de l'effet cutané, le courant alternatif se concentre principalement sur la surface du conducteur.


Lorsque la distance entre les deux conducteurs est très étroite et / ou que la fréquence du signal augmente, l'effet de proximité rapproche le courant circulant à travers les deux conducteurs adjacents. La raison de l'effet de proximité est que le courant cherche toujours le chemin avec l'impédance minimale. Dans d'autres éléments, la trajectoire de l'impédance minimale est généralement celle qui minimise l'intensité du champ magnétique autour du conducteur.


Le courant de retour en courant continu remplit tout le conducteur, mais pas le courant alternatif. Le chemin minimal d'impédance est la partie du champ magnétique produit par deux conducteurs dont la direction du courant est opposée. C'est aussi la raison pour laquelle les courants des deux conducteurs dans la direction opposée sont proches les uns des autres. Cela fait que les lignes de direction du plan de reflux sont attirées par les lignes de courant inversées correspondantes en dessous, les rapprochant les unes des autres, comme si le plan de reflux était une voie qui conduit le signal de reflux directement en dessous du chemin de sortie, comme le montre la figure 2.


Notez que nous parlons ici d'un plan de retour, pas d'un plan de sol. La raison en est que le signal de retour est parfois transmis par le plan au sol et parfois par le plan d'alimentation. Quel que soit le plan, tant que le signal de retour est transmis, il est appelé Plan de retour.

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Figure 2. The proximity effect makes the two relatively high-frequency current conducting wires as close to each other as possible


La densité de courant (PRI) du plan de retour diminue rapidement à mesure que la distance du bord de la trajectoire du signal de sortie augmente, comme le montre l'équation 1.

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Où:

Irp représente la densité de courant à la distance horizontale "D" de la trajectoire du signal de sortie sur le plan de référence

i represents the signal current

H Représente la distance entre la trajectoire du signal de sortie porteur et le plan de référence

D Représente la distance horizontale par rapport à la trajectoire du signal de sortie


The current of the return plane closely follows the path carrying the outgoing signal above (or below) it. When the D/Le rapport H est de 5, the current density "D" from the edge of the path carrying the outgoing signal will drop below 4%; when the D/Le rapport H est de 10, the current density from the edge of the path carrying the outgoing signal The current density at "D" will drop below 1% directly below it. Donc,, the alternating current of the return plane is basically limited to the area below the path carrying the corresponding outgoing signal. C'est pourquoi nous n'avons pas besoin de diviser le plan au sol lorsque nous considérons la disposition des PCB. Moreover, La segmentation du plan du sol peut causer de graves problèmes de rayonnement. Although many designers try to solve this problem with costly shielding, Qu'ils / elles eussent déserté.


Le courant de retour du plan de référence suit son courant de sortie correspondant. Par conséquent, tant que la trajectoire du courant de sortie reste suffisamment éloignée, le mélange du courant de surface de retour peut être évité. C'est le mélange du courant de retour qui produit des échanges et du bruit. La distance entre les lignes mentionnées ici est fonction de la distance entre les couches (h dans la figure 2 et équation 1).


Selon la formule de densité de courant, la densité de courant peut être calculée par rapport à n'importe quel point (ou distance "D") du bord de la trajectoire du signal de sortie transmis. Notez que cette formule calcule la densité du courant, pas le courant.


La distance typique "h" dépend de la trajectoire du signal de sortie et de la position réelle du plan de retour sur la carte de circuit imprimé:


If it is between the outer layer and the inner layer, Valeurs typiques "h" pour les couches 4 et 6 Circuits impriméss are both 75 mill;

Si entre les deux couches intérieures, la valeur « h» typique d'une carte à 4 couches est de 39 mm et la valeur « h» typique d'une carte à 6 couches est de 14 mm.

Voir le schéma de circuit Plaquesupplier for the spacing between the planes of the Circuits imprimés Vous utilisez.


If the distance between the edges of the path reaches 4 times the distance between the paths carrying the outgoing signal and the return signal, Le Crosstalk tombe en dessous de 6% de l'amplitude du signal.


Effets combinés de l'effet de proximité et de l'effet cutané


As a result of the combination of the proximity effect and the skin effect, La surface porteuse de courant du conducteur ne représente qu'une petite partie de sa section transversale totale., and the actual current-carrying area is much smaller than that shown in Figure 3.

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Figure 3: l'effet combiné de l'effet cutané et de l'effet de proximité est une réduction significative de la surface réelle du courant porteur du conducteur.


L'effet cutané et l'effet de proximité font que la surface porteuse de courant du conducteur est inférieure à la section transversale du conducteur, de sorte qu'ils augmentent la résistance AC du conducteur.

The influence of PCB layout on its performance


In addition to the skin effect and proximity effect, Circuit haute fréquence ts have another problem Oui. manifested as electromagnetic interference (EMI). Le problème se manifeste sous deux aspects: le rayonnement du signal et la réception du signal..


Les gouvernements d'aujourd'hui ont des règles spécifiques sur l'énergie rayonnée autorisée par l'équipement. La limitation de l'énergie rayonnée de l'équipement peut réduire le signal d'interférence reçu par le circuit. En un sens, ces règles sont très bonnes. En même temps, nous devons prendre des mesures pour nous assurer que nos circuits ne rayonnent pas de signaux d'interférence de fréquence non autorisés. La pratique de conception nous dit également que des mesures appropriées doivent être prises dans le processus de conception du circuit pour empêcher le circuit de recevoir les signaux d'interférence environnants. Quoi qu'il en soit, nous ne pouvons pas déterminer quand le circuit sera exposé à un environnement fortement perturbé.


Lorsque le courant de sortie et le courant de retour s'écoulent, la zone entre la trajectoire de sortie et la trajectoire de retour est appelée « zone circulaire ». Plus la zone de circulation est grande, plus le champ électromagnétique autour du conducteur est grand. Le rayonnement est produit par les champs électromagnétiques environnants. Plus la zone de circulation est grande, plus l'énergie reçue par le rayonnement électromagnétique ou le couplage électromagnétique est grande. Étant donné que les courants à haute fréquence circulent le long d'une trajectoire très étroite sur le plan de retour, cette trajectoire est similaire à la trajectoire et émet un rayonnement, en particulier lorsque la trajectoire du courant de retour sur le plan de sol est déviée en raison de la segmentation du plan de sol. Le rayonnement est plus grave lorsqu'il transporte le chemin correspondant au courant de sortie. Par conséquent, la Division du plan du sol n'est pas une bonne méthode.


People usually fill unused areas on the printed circuit Plaque Film de cuivre mis à la terre. Cependant,, if the copper film used for filling is only grounded through one point, C'est en fait l'équivalent de concevoir un plan au sol qui peut passer à travers ce point. An antenna that radiates energy. Alors..., if you cannot ground through more than one point, Vous devez éviter ce mode de remplissage de film de cuivre.


Une autre méthode courante consiste à utiliser une seule couche de sol et un seul circuit d'alimentation.. The problem with this method is that the equivalent series inductance (ESL) of the capacitor will cause the impedance of the capacitor to change with frequency, Comme le montre la figure 4. Using multiple capacitors with different tolerances can expand the frequency range that is effectively bypassed, Mais quand la fréquence dépasse quelques centaines de MHz,, the capacitor is no longer useful. Si le concepteur pense qu'il n'y a pas de signal à haute fréquence dans le circuit, we may wish to consider the fact that the square wave contains harmonic components exceeding the 30th harmonic. Le signal numérique de 40 MHz a 30 fréquences harmoniques de 1.2 GHz (1,200 MHz).

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Figure 4: Capacitors can bypass the signal in a very narrow frequency range

The most effective way to bypass these high-frequency components is to use interlayer capacitance between the power plane and the ground plane, La capacité du chemin formé entre le plan de puissance et le plan sol pour transmettre la puissance est trop faible pour produire une fonction de dérivation à haute fréquence suffisante.


Il est bien connu que si l'effet de bord est ignoré, la capacité inter - couches est:

C = K O A / D


Où K = constante diélectrique relative du diélectrique interlaminaire

O = 8.854 x 10-12 farads/M

A = surface des deux plaques du condensateur

D = distance entre les deux plaques du condensateur


If we assume an FR-4 circuit PlaqueK = 4 heures.1 and the distance between the two inner layers is 39 mills, Puis calculer à partir de l'équation 2, the interlayer capacitance is about 3.67pf/cm2, Ou 23..65pf/In 2.


Considérations relatives aux circuits


Nous avons discuté plus tôt de certains problèmes importants de câblage qui doivent être pris en considération lors de la conception de circuits de signaux hybrides tels que l'ADC et le DAC, mais qui sont loin d'être suffisants pour le traitement du bruit. Ensuite, nous discuterons de la façon dont les circuits d'entrée et de sortie génèrent du bruit et comment les prévenir.

Input drive considerations


Most ADCs produced today can be regarded as sampling converters, that is, they sample the input signal and convert the sampled voltage into a corresponding value. La figure 5 montre un circuit équivalent simplifié pour l'échantillonnage des signaux d'entrée ADC. In the figure, "Cin" indique la capacité d'entrée de la broche, "Cs" représente le condensateur de prélèvement, "S" represents the sampling switch, "Ron" indique la résistance lorsque l'interrupteur est allumé. When sampling, Interrupteur "s" fermé, and the sampling capacitor "CS" is charged to the input voltage level; in the conversion gap when the switch "S" is open and another switch (not shown in the figure) is closed, Selon la conception ADC différente, The voltage applied on the sampling capacitor is transferred to another capacitor or capacitors.


Lorsque l'interrupteur est à nouveau éteint pour le prochain prélèvement, la tension du condensateur de prélèvement est différente de celle de la dernière fois que l'interrupteur a été allumé, car la tension du condensateur de prélèvement est transférée ailleurs. Afin de recharger le condensateur de prélèvement, une impulsion de courant est générée à l'entrée de l'ADC et une impulsion de courant génère un pic de tension à l'entrée de l'ADC. À moins que le condensateur de prélèvement ne soit pas chargé à un niveau de signal suffisamment efficace avant d'éteindre à nouveau l'interrupteur, ces pointes de tension à l'entrée ne causeront généralement aucun problème. Il est important que le signal d'entrée de l'échantillon soit à nouveau éteint lorsque l'interrupteur est éteint. Le niveau de signal valide a déjà été atteint.

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Figure 5: la plupart des ADC utilisent l'entrée de l'échantillon


Le condensateur à l'entrée du circuit ADC peut accumuler la charge pour atténuer la demande de courant de la source d'entraînement, ce qui le rend rapide et stable. Cependant, en général, la sortie de l'amplificateur opérationnel ne peut pas "tolérer" une plus grande capacité, de sorte que nous utilisons habituellement l'amplificateur, en série à la sortie d'une résistance pour l'isoler de la capacité, comme le montre la figure 6.

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Figure 6: Most ADCs use sample inputs


Comment déterminer les valeurs de la résistance RF et de la capacité CF dans la figure 6? Une méthode efficace consiste d'abord à prendre 10 fois la limite de capacité du condensateur d'échantillonnage CS comme valeur de CF, puis à calculer la valeur de RF à partir de l'équation 3, où "n" est la résolution (nombre de bits) de l'ADC.

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Considérations relatives à la capacité de sortie


L'inductance de la ligne de liaison isole la ligne de sortie bien contournée de la puce en silicium. Lorsque le signal de la broche de sortie ADC passe de bas en haut, nous pouvons observer une impulsion négative sur la ligne de sortie, que nous appelons un « rebond de puissance ». Si la ligne de sortie est utilisée comme étape de sortie et partagée par d'autres régions de la même puce en silicium, ces impulsions négatives sont ajoutées aux signaux de ces régions. Si la zone est un circuit numérique, ces impulsions négatives provoqueront un bruit de Jitter; Dans le cas des circuits analogiques, ces impulsions négatives introduisent directement du bruit dans le processus de conversion.


Lorsque la sortie numérique passe de haute à basse, la charge accumulée sur la capacité du bus et la capacité d'entrée de l'équipement entraîné s'écoule à travers la surface de la puce en silicium et la goupille de mise à la terre de l'ADC. L'inductance de couplage au sol isole la sortie en courant continu de la puce de silicium de la stabilité, de la mise à la terre sans bruit et de l'impulsion de la broche du dispositif. L'amplitude de ces impulsions variera en fonction du nombre de bornes de sortie de décharge. Ce phénomène est appelé « rebond au sol ». La tension de la composante DC de la puce au silicium n'est pas compatible avec la ligne de mise à la terre et n'est pas stable, mais fluctue. En raison de la différence de tension, le bruit est généré entre le signal d'entrée et la ligne de mise à la terre et converti à nouveau, comme le montre la figure 7.

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Figure 7: The current required to charge and discharge the output capacitor will generate noise in the silicon chip


Pour les ADC avec entrée différentielle, vous pourriez penser que la suppression en mode commun (CMR) de l'entrée différentielle peut résoudre le problème ci - dessus. En fait, le CMR de n'importe quel circuit échoue progressivement avec l'augmentation de la fréquence du bruit, en particulier lorsque la fréquence du signal dépasse plusieurs centaines de kHz, l'effet du CMR est plus grave. Étant donné que la fréquence de ces impulsions de rebond au sol est généralement proche de la fréquence des données de sortie et que le temps de montée rapide de la tension correspond à une fréquence plus élevée, l'effet du CMR est presque nul pour la plage de signaux à haute fréquence décrite ci - dessus.


Notre mission est donc de minimiser ces courants de charge et de décharge et donc le bruit induit.


La première étape pour réduire ce bruit induit est de réduire la charge Capacitive sur la broche de sortie numérique, which means that it should be avoided to directly drive the bus directly with the ADC output (this is why the high-speed ADC still uses the traditional three-state output mode Reason). Une capacité plus faible signifie moins de charge à déplacer pendant la charge, so the induced noise generated is naturally lower. Alors..., a very important point in the design is to try to make the device being driven have a single, Broche d'entrée à faible capacité, and the input end of the device should be as close as possible to the output pin of the ADC.


Toutefois, dans certains cas, il n'est pas possible de réduire la capacité de sortie à un niveau suffisant pour éliminer le bruit induit qui en résulte. Cela est particulièrement vrai lorsque la précision de l'ADC est élevée, que les niveaux de référence et de signal sont faibles et que le taux d'échantillonnage est élevé. À ce stade, il est utile de raccorder en série une résistance de 47 - 100 ohms aussi près que possible de la broche de sortie de l'ADC, car la résistance en série peut limiter le courant de charge et de décharge du condensateur de la broche de sortie de l'ADC et réduire le bruit sur la puce. Voir figure 8.


Si la résistance en série n'est pas aussi proche que possible de la broche de sortie numérique de l'ADC, la capacité inter - plaque entre l'ADC et la résistance en série augmentera, ce qui produira un bruit plus élevé que le bruit d'origine. De même, cela est particulièrement vrai avec l'amélioration de la précision du convertisseur analogique - numérique, la diminution des niveaux de tension de référence et de signal et l'augmentation du taux d'échantillonnage. Bien entendu, nous devons essayer de réduire la longueur totale de ces lignes de transmission numérique.

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Figure 8: la résistance en série à la sortie de l'ADC réduit le bruit généré par la charge et la décharge du condensateur de sortie


Exposé complet


All signal-carrying lines are transmission lines. Lorsque la longueur de la ligne dépasse un certain seuil, the line must be treated as a transmission line to avoid signal distortion, Écart de synchronisation, jitter, Et le bruit.


À mesure que la fréquence du signal augmente, l'effet cutané et l'effet de proximité augmentent la composante réelle (résistance) de l'impédance de la ligne. Lorsque d'autres lignes sont proches ou éloignées de la ligne de transmission, l'impédance de la ligne de transmission change en conséquence, ce qui entraîne une distribution inégale de l'impédance de la ligne de transmission. Par conséquent, la façon de traiter les lignes de transmission est très importante dans le câblage. Il en va de même pour le chemin de retour du plan de retour. Les condensateurs inter - couches sont importants parce qu'ils contournent les composants de signal à haute fréquence qui ne peuvent être éliminés par les condensateurs de diffusion.


En général, une conception raisonnable du circuit d'entraînement de l'ADC et une réduction du courant de sortie aideront à réduire le bruit qui peut endommager les performances internes du circuit.