MB90 serisi mikrodenetleyiciler için PCB düzeni ve elektromanyetik uyumluluk. Yüksek frekanslı baskılı devre kartlarının geliştirilmesinde ems muhasebesi

Bu bölümde, baskılı devre kartı üzerindeki iletken boyunca iletilmesiyle ilişkili dijital sinyal bozulmasının nasıl önleneceğini ele alacağız. Bu öncelikle devre mühendisinin görevi olsa da, PCB tasarımcısı genellikle karttaki sinyalizasyon sorunlarından ve ayrıca kartta meydana gelen parazit ve karışmadan sorumludur.

Sinyal iletim sırasında neden bozuluyor?
Her şeyden önce, bozulmalar, frekansı 1 GHz veya daha fazla olan yüksek frekanslı sinyallerin karakteristiğidir. Bunun nedeni, rezonansların ve yansımaların bireysel iletken segmentleri, yollar, kart üzerindeki dallanmalar ve ayrıca alıcıların girişlerindeki etkilerinden kaynaklanmaktadır. Bununla birlikte, sorun şu ki, aşağıda göreceğimiz gibi, standart dijital devreler için tipik olan 500 MHz'e kadar frekanslara sahip sinyaller, genellikle önemli ölçüde bozulabilir, bu da yüksek frekans olarak da sınıflandırılabilecekleri anlamına gelir.

Bozulmadan iletim fikri nedir?
Bozulmadan sinyal iletimi ilkesi, iletkenin belirli bir karakteristik (dalga) empedansı ile bir iletim hattı (veya "uzun hat") olarak yapılmasıdır; empedans Z 0 , hattın tekdüzeliğini sağlayan sinyalin kaynağından alıcısına kadar aynı. İkinci gereklilik, hattın sinyalin kaynağı ve alıcısı ile tutarlılığıdır. Geleneksel bir iletkenden farklı olarak, böyle bir iletim hattı, ne kadar uzun olursa olsun, sinyal iletimi sırasında rezonans, bozulma ve yansımalara yol açmaz. İletim hatları, bilinen parametrelere sahip malzemeler kullanılarak ve baskılı desenin elemanlarının gerekli boyutları sağlanarak bir baskılı devre kartı üzerine kolayca uygulanabilir. Seri ve paralel hat eşleştirme ayrımı yapılmakta olup, kaynak çıkışında ve/veya sinyal alıcı girişinde belirli sonlandırma dirençlerinin kullanılması gerekmektedir. Pano üzerinde oluşturulan iletim hatları, kontrollü empedans Z 0 ile konektörler ve kablolar kullanılarak pano dışına uzatılabilir.

Bozulma hangi sinyaller için önemli hale gelir?
Tahtadaki iletkenin uzunluğunu iletilen sinyalin en yüksek frekans bileşeninin dalga boyuyla karşılaştırarak (örneğin FR4 malzemesinde yayılırken), iletkenin sözde elektriksel uzunluğu belirlenebilir. Elektriksel uzunluk, minimum dalga boyunun kesirlerinde veya onun karşılıklı, ön süresinin kesirlerinde ifade edilebilir. İletken çok büyük bir elektrik uzunluğuna sahipse, aşırı sinyal bozulmasını önlemek için bu iletken bir iletim hattı olarak yapılmalıdır. Yüksek frekanslı sinyalleri iletirken, iletim hatlarının yalnızca bozulmayı azaltmak için değil, aynı zamanda elektromanyetik radyasyon (EMR) seviyesini de azaltmak için kullanılması gerektiğini unutmayın.

Yarım Artış Kuralı
Kaba bir kural, bir iletkenin "elektriksel olarak uzun" olmasıdır (elektrik mühendisliğinde buna denir). "uzun çizgi") kaynaktan en uzak alıcıya sinyal yükselme süresi, sinyal yükselme süresinin yarısını aşarsa. Bu durumda hattaki yansımalar sinyal cephesini önemli ölçüde bozabilir. Cihazın 2 ns yükselme süresine sahip yongalara sahip olduğunu varsayalım (örneğin, FastTTL serisinin belgelerine göre). PCB malzemesinin (FR4) yüksek frekanslardaki dielektrik sabiti, ışık hızının yaklaşık %50'si veya 1.5.10 8 m/s'lik bir ön hız sağlayan 4.0'a yakındır. Bu, 6,7 ps/mm'lik bir ön yayılım süresine karşılık gelir. Bu hızla cephe 2 ns'de yaklaşık 300 mm yol alacaktır. Buradan, bu tür sinyaller için "iletim hatlarının" yalnızca iletkenin uzunluğu bu mesafenin yarısını, yani 150 mm'yi aşarsa kullanılması gerektiği sonucuna varabiliriz.

Ne yazık ki, bu yanlış cevap. Yarım yükselme kuralı aşırı basittir ve eksiklikleri dikkate alınmazsa sorunlara yol açabilir.

Basitleştirilmiş yaklaşımın sorunları
Mikro devreler için belgelerde verilen yükselme süresi verileri maksimum değeri yansıtır ve genellikle gerçek anahtarlama süresi önemli ölçüde daha azdır ("maksimum" dan 3-4 kat daha az olabilir ve neredeyse garanti edilemez) partiden partiye değişiklik göstermeyeceği). Ayrıca, kaçınılmaz kapasitif yükleme bileşeni (hatta bağlı mikro devrelerin girişlerinden), boş bir baskılı devre kartında elde edilebilecek hesaplanan hıza kıyasla sinyal yayılma hızını azaltır. Bu nedenle, yeterli iletilen sinyal bütünlüğü elde etmek için, daha önce açıklanan kuralın önerdiğinden çok daha kısa iletkenler için iletim hatları kullanılmalıdır. Yükselme süresi 2 ns olan sinyaller için (belgelere göre), uzunluğu yalnızca 30 mm'yi aşan (ve bazen daha az) iletkenler için iletim hatlarının kullanılması tavsiye edilir! Bu, özellikle senkronizasyon veya kapılama işlevini taşıyan sinyaller için geçerlidir. "Yanlış pozitif", "yeniden hesaplama", "yanlış verilerin düzeltilmesi" ve diğerleriyle ilişkili sorunların tipik olduğu bu tür sinyaller içindir.

İletim hatları nasıl tasarlanır?
Ne tür iletim hatları olabileceği, bunların bir baskılı devre kartı üzerinde nasıl tasarlanacağı, parametrelerinin nasıl kontrol edileceği ile ilgili birçok yayın bulunmaktadır. Özellikle, IEC 1188-1-2: 1988, bu konuda ayrıntılı rehberlik sağlar. İletim hattının tasarımını ve baskılı devre kartının yapısını seçmenize izin veren birçok yazılım ürünü de bulunmaktadır. Çoğunluk modern sistemler tasarım baskılı devre kartı tasarımcının belirtilen parametrelerle iletim hatları tasarlamasına izin veren yerleşik programlar ile sağlanır. Örnek olarak bu tür programları AppCAD, CITS25, TXLine olarak adlandırabiliriz. En tüm olasılıklar Polar Instruments'tan yazılım ürünleri sağlayın.

İletim hatları örnekleri
Örnek olarak, en basit iletim hattı türlerini ele alalım.

Bir iletim hattı en iyi şekilde nasıl tasarlanır?
En yüksek hızlı (veya en kritik) sinyaller, yer planına (GND) bitişik katmanlarda, tercihen ayırma güç planıyla eşleştirilmiş katmanlarda olmalıdır. Daha az kritik sinyaller, bu planlar yeterince ayrıştırılmışsa ve çok gürültülü değilse, güç planlarına yönlendirilebilir. Bu tür her bir güç planı, bu sinyalin alındığı veya alındığı mikro devre ile ilişkilendirilmelidir. En iyi gürültü ve EMC bağışıklığı, her biri kendi dekuplaj güç planıyla eşleştirilmiş iki GND planı arasında çalışan şerit hatlar tarafından sağlanır.
Z 0'da önemli değişikliklere yol açacağından, iletim hattının çizildiği temel planların hiçbirinde delikler, kırıklar veya yarıklar olmamalıdır. Ayrıca şerit çizgi, plandaki herhangi bir boşluktan veya referans planın kenarından mümkün olduğunca uzakta olmalıdır ve verilen mesafe genişliğinin on katından az olmamalıdır. Karışmayı ortadan kaldırmak için bitişik iletim hatları en az üç iletken genişliğiyle ayrılmalıdır. Çok kritik veya "agresif" sinyaller (radyo anteni ile iletişim gibi), sanki diğer iletkenlerden bloke ediyor ve baskılı devre kartında koaksiyel bir yapı oluşturuyormuş gibi, yakın aralıklı iki sıralı dengeli bir hat kullanarak EMC'den yararlanabilir. . Ancak bu tür yapılar için Z 0 diğer formüller kullanılarak hesaplanır.

Proje nasıl daha ucuz hale getirilebilir?
Yukarıda açıklanan iletim hattı türleri, hemen hemen her zaman çok katmanlı bir kartın kullanılmasını gerektirir, bu nedenle seri üretilen düşük kaliteli ürünler oluşturmak için uygun olmayabilirler. fiyat kategorisi(Daha yüksek hacimlerde olmasına rağmen, 4 katmanlı PCB'ler çift taraflı PCB'lerden yalnızca %20-30 daha pahalıdır). Bununla birlikte, düşük maliyetli tasarımlar için, tek katmanlı bir levha üzerine inşa edilebilen dengeli (üniform) veya eş düzlemli gibi çizgi türleri de kullanılır. Tek katmanlı iletim hattı tiplerinin kart üzerinde mikroşerit ve şerit hatlara göre birkaç kat daha fazla alan kapladığı akılda tutulmalıdır. Ek olarak, baskılı devre kartı maliyetinden tasarruf ederek, ek cihaz koruma ve gürültü filtreleme için daha fazla ödeme yapmak zorunda kalacaksınız. Bir EMC problemini paket seviyesinde çözmenin, aynı problemi PCB seviyesinde çözmekten 10 ila 100 kat daha pahalı olduğuna dair genel bir kural vardır.
Bu nedenle, PCB katmanlarının sayısını azaltarak geliştirme bütçenizi kısarken, gerekli sinyal bütünlüğü ve EMC düzeyine ulaşmak için örnek panoları sipariş etmenin birden çok yinelemesine fazladan zaman ve para harcamaya hazırlıklı olun.

Katman değiştirmenin olumsuz etkisi nasıl azaltılır?
Tipik kablolama kurallarına göre, mikro devrenin yanındaki katmanı değiştirebilmemiz için her mikro devrenin yanında en az bir dekuplaj kondansatörü vardır. Ancak "şerit" katmanında yer almayan segmentlerin toplam uzunlukları dikkate alınmalıdır. Kabaca bir kural, bu bölümlerin toplam elektrik uzunluğunun yükselme süresinin sekizde birini geçmemesi gerektiğidir. Bu segmentlerin herhangi birinde Z 0'da çok fazla değişiklik meydana gelebilirse (örneğin, ZIF yuvaları veya diğer tip IC yuvaları kullanılırken), bu uzunluğu yükselme süresinin onda birine indirgemeye çalışmak daha iyidir. Normalleştirilmemiş bölümlerin izin verilen maksimum toplam uzunluğunu belirlemek için yukarıdaki kuralı kullanın ve bunu bu sınırlar içinde mümkün olduğunca küçük tutmaya çalışın.
Buna dayanarak, ön süresi (belgelere göre) 2 ns olan sinyaller için, katmanı mikro devrenin merkezinden veya sonlandırma direncinin merkezinden en fazla 10 mm değiştirmeliyiz. Bu kural, belgelere göre gerçek anahtarlama süresinin maksimumdan önemli ölçüde daha az olabileceği gerçeği için 4 kat marj dikkate alınarak geliştirilmiştir. Katman değişikliğinin olduğu yerden yaklaşık olarak aynı mesafede (daha fazla değil), karşılık gelen zemin ve güç planlarını bağlayan en az bir dekuplaj kondansatörü bulunmalıdır. Mikro devreler kullanılırken bu kadar küçük mesafelerin elde edilmesi zordur. büyük beden bu nedenle, modern yüksek hızlı devrelerin düzeninde tavizlerden kaçınılamaz. Ancak bu kural, yüksek hızlı devrelerde küçük çiplerin tercih edilmesini haklı çıkarmakta ve kart üzerindeki iletkenden çip çipe giden sinyal yolunu en aza indiren BGA ve flip-chip teknolojilerinin hızlı gelişimi gerçeğini açıklamaktadır.

Prototiplerin modellenmesi ve test edilmesi
Mikro devreler ve daha fazlası için birçok seçeneğin varlığı nedeniyle Daha bazı mühendisler bu pratik kuralları yeterince kesin bulmayabilir ve bazıları onları abartılı bulabilir, ancak "pratik kuralların" rolü böyledir - bu, doğru çalışan cihazları sezgisel olarak tasarlamanıza izin veren yalnızca kabaca bir yaklaşımdır. .
Günümüzde, bilgisayar modelleme araçları giderek daha erişilebilir ve gelişmiş hale gelmektedir. Katmanların gerçek yapısına ve sinyal kablolamasına bağlı olarak sinyal bütünlüğü, EMC parametrelerini hesaplamanıza izin verirler. Elbette bunların kullanımı kaba tahminlerimizden daha doğru sonuçlar verecektir, bu nedenle mümkün olduğunca çok kullanmanızı öneririz. bilgisayar modelleme. Bununla birlikte, mikro devrelerin gerçek anahtarlama süresinin belgelerde belirtilenden önemli ölçüde daha kısa olabileceğini ve bunun yanlış sonuçlara yol açabileceğini unutmayın, bu nedenle çıkış ve giriş aşamaları modelinin gerçeğe uygun olduğundan emin olun.
Bir sonraki adım, yüksek frekanslı bir osiloskop kullanarak ilk "prototip" PCB örneğindeki kritik sinyalin geçişini kontrol etmektir. İletkenin tüm uzunluğu boyunca PCB boyunca ilerlerken dalga biçiminin bozulmadığından emin olmak için özen gösterilmelidir ve yukarıdaki kuralların tek başına uygulanması, oldukça iyi olsalar da, ilk seferde mükemmel sonuçlar vermesi pek olası değildir. Bir RF Elektromanyetik Alan Analiz Cihazının veya Emisyon Spektrum Analiz Cihazının kullanılması, "prototip" PCB düzeyinde sinyal bütünlüğünü ve EMC sorunlarını incelemenin başka bir yolu olabilir. Bu tür analiz yöntemleri bu makalenin konusu değildir.
Karmaşık devre simülasyonu kullanıyor olsanız bile, en eski prototip PCB'lerde sinyal bütünlüğünü ve EMC testini ihmal etmeyin.

PCB üretimi aşamasında dalga empedansının sağlanması
Baskılı devre kartlarının üretimi için amaçlanan tipik bir FR4 malzemesinin dielektrik sabit değeri (E r) 1 GHz'de yaklaşık 3,8...4,2'dir. Er'in gerçek değerleri ±%25 arasında değişebilir. Satıcı tarafından belirtilen ve geleneksel malzemelerden çok daha pahalı olmayan garantili FR4 malzemeleri vardır, ancak PCB siparişinde özellikle belirtilmedikçe PCB üreticilerinin "derecelendirilmiş" FR4 derecelerini kullanmaları zorunlu değildir.
PCB üreticileri standart kalınlıktaki ("prepregler" ve "laminatlar") dielektriklerle çalışırlar ve kalınlık toleransları (yaklaşık ± %10) dikkate alınarak levha üretime alınmadan önce bunların her bir katmandaki kalınlıkları belirlenmelidir. Belirli bir dielektrik kalınlığı için belirli bir Z 0 sağlamak üzere iletkenin uygun genişliğini seçebilirsiniz. Bazı üreticiler için, gerekli gerçek iletken genişliğini, diğerleri için - nominal genişliğe göre 25-50 mikrona ulaşabilen alttan kesme için bir kenar boşluğu ile belirtmek gerekir. En iyi seçenek belirli bir Z 0 sağlamak için hangi katmanlardaki iletken genişliğinin tasarlandığını üreticiye gösteren bir göstergedir. Bu durumda üretici, iletken genişliğini ve katman yapısını ayarlayabilir. parametreleri ayarlaüretim teknolojilerine göre. Ek olarak, üretici her fabrika boşluğunda gerçek dalga empedansını ölçer ve Z 0'ın ±%10 tolerans veya daha kesin olarak düşmediği kartları reddeder.
1 GHz'in üzerindeki sinyaller için daha fazlasını kullanmak gerekebilir. yüksek frekanslı malzemeler, İle daha iyi stabilite ve diğer dielektrik parametreler (Rogers'tan Duroid, vb. gibi).

Edebiyat
1. EMC ve Sinyal Bütünlüğü için Tasarım Teknikleri, Eur Ing Keith Armstrong.
2. IEC 61188-1-2: 1998 Baskılı Kartlar ve Baskılı Kart Montajları - Tasarım ve kullanım. Bölüm 1-2: Genel Gereksinimler - Kontrollü Empedans, www.iec.ch.
3. Yüksek karmaşıklığa sahip çok katmanlı baskılı devre kartlarının tasarımı. Seminer PCB teknolojisi, 2006.
4. http://library.espec.ws/books/chooseant/CHAPTER6/6-1.htm
5. Donanım tasarımı. Walt Kester.

1. Genel Hükümler

Elektrostatik ve gürültü ile ilgili sorunları önlemek için baskılı devre kartı döşenirken belirli kurallara uyulmalıdır. En kritik nokta C çıktısıdır, çünkü MCU çekirdeğinin yerleşik 3,3 V güç kaynağına bağlanır. Bu nedenle, filtre kondansatörü terminale mümkün olduğunca yakın yerleştirilmelidir.

Güç ve toprak devrelerinin kablo bağlantılarını da dikkatlice düşünmelisiniz. Yemekler "yıldız" tarafından yetiştirilir. Montaj tarafına doğrudan MK kasasının altına bir toprak tabakası yerleştirmenizi öneririz. Vcc ve Vss hatları, MCU'ya gelen ve gelen paraziti önlemek için devrenin geri kalanına yalnızca bir bağlantı noktasına sahip olmalıdır. Filtre kondansatörleri (DeCaps) ilgili terminallere mümkün olduğunca yakın yerleştirilmelidir. Çok uzağa kaldırılırlarsa, işlevlerini yerine getirmeyi bırakırlar.

Kuvars rezonatörleri kullanırken, Xn(A) uçlarından minimum bir mesafeye yerleştirilmelidirler.

Mümkünse, filtreleme kapasitörleri tercihen MC'nin montaj tarafına yerleştirilmelidir.

2 Güç kablosu

Vcc ve Vss otobüslerinin bir seri zincirde değil, bir "yıldızda" yetiştirilmesi gerekir. Vss için devrenin geri kalanıyla bir noktada bağlı MK gövdesinin altında topraklama poligonu kullanılması tavsiye edilir.

Aşağıda iki kötü ve iyi güç kablosu örneği verilmiştir.

3 Filtreleme çıkışı C

4 Güç devresi filtreleme

Güç devreleri için filtre kapasitörleri (DeCaps), güç akımlarının yolunda bulunmalıdır, aksi halde kullanımları mantıklı değildir. Aşağıdaki şekil bu ifadeyi açıklamaktadır:

5 Kuvars rezonatörün konumu ve sinyal devrelerinin kablolaması

Kuvars, MK'ye mümkün olduğunca yakın yerleştirilmelidir. Böylece, osilatör kapasitörleri kuvarsın "arkasında" yer alacaktır.

6 Ek belgeler

Daha fazla ayrıntı için Uygulama Notu 16bit-EMC-Kılavuzuna bakın.

7 Sonuç listesi MK

Tablo, elektromanyetik etkileşimler için kritik olan MC'nin sonuçlarını gösterir ve kısa bilgi onların bağlantısı hakkında.

* - belirli bir MC'de bulunmayabilir

Tanımlar:

Elektromanyetik uyumluluk, EMC (Elektromanyetik uyumluluk, EMC): işleyiş sürecinde çevreye makul olmayan bir katkı yapmama yeteneği Elektromanyetik radyasyon. Bu koşul karşılandığında, tüm elektronik bileşenler birlikte doğru şekilde çalışır.

Elektromanyetik girişim, EMI (Elektromanyetik girişim, EMI): Bir cihaz tarafından yayılan ve başka bir cihazda performansın düşmesine neden olabilen elektromanyetik enerji.

Elektromanyetik bağışıklık, EMPU (Elektromanyetik bağışıklık, veya duyarlılık, EMS): elektromanyetik enerjinin etkilerine karşı tolerans (direnç).

EMC tasarımı: 4 ana kural

Kural sorunu: Ne kadar çok kuralınız varsa, hepsini takip etmek o kadar zor olur. Uygulamalarının önceliklendirilmesi farklıdır.

Diyelim ki çok katmanlı bir baskılı devre kartı oluştururken, yüksek frekanslı bir sinyali analog bir bileşenden dijital bir bileşene yönlendirmeniz gerekiyor. Doğal olarak, bir elektromanyetik uyumluluk (EMC) sorunu olasılığını en aza indirmek istersiniz. İnternette bir arama yaptığınızda, durumunuzla alakalı gibi görünen üç öneri bulursunuz:

1. Yüksek Frekans Veriyolu Uzunluklarını En Aza İndirin
2. Devrenin analog ve dijital parçaları arasında ayrı güç ve toprak rayları
3. Yüksek frekanslı iletkenlerle topraklama poligonlarını kırmayın

Üç vizyonunuz seçenekler kablolama Şekil 1'de gösterilmiştir.

İlk durumda, izler doğrudan iki bileşen arasında yönlendirilir ve arazi poligonu sabit kalır. İkinci durumda poligonda bir boşluk oluşur ve izler bu boşluktan geçer. Üçüncü durumda, izler çokgendeki boşluk boyunca döşenir.

Bu üç durumun her birinde, yukarıdaki kurallardan biri ihlal edilir. Bu alternatif durumlar, üç kuraldan ikisini karşıladıkları için eşit derecede iyi midir? Hepsi kötü mü çünkü her biri en az bir kuralı çiğniyor?

Bunlar PCB tasarımcılarının her gün karşılaştığı sorular. Doğru veya yanlış kablolama stratejisinin seçilmesi, kartın tüm EMC gereksinimlerini karşılamasına veya harici sinyallerle ilgili sorunlara neden olabilir. Bu durumda, seçim net olmalıdır, ancak buna daha sonra döneceğiz.

Önerilere öncelik verilerek sorunlar azaltılır. Tasarım önerileri, iyi anlaşıldıkları ve eksiksiz bir stratejinin parçasını oluşturdukları takdirde yararlıdır. Tasarımcılar tavsiyelere öncelik vermeyi öğrendikten ve bu tavsiyelerin nasıl kullanılması gerektiğini anladıktan sonra, iyi PCB'ler tasarlayabilirler.

Aşağıdakiler, temel alınan dört ana EMC kuralıdır: ortak özellikler elektronik ürünler. Çoğu durumda, PCB tasarımcıları daha önemli kuralları yerine getirmek için bu kurallardan birini kasten çiğnerler.

Kural 1: Sinyal Akımı Yolunu Küçültün

Bu basit kural, hemen hemen her EMC önerileri listesinde yer alır, ancak genellikle ya göz ardı edilir ya da diğer öneriler lehine hafife alınır.

Çoğu zaman PCB tasarımcısı, sinyal akımlarının nerede aktığını düşünmez ve sinyalleri akım açısından düşünmek yerine voltaj açısından düşünmeyi tercih eder.

Her PCB tasarımcısının bilmesi gereken iki aksiyom vardır:

- sinyal akımları her zaman kaynağına döner, yani geçerli yol bir döngüdür
- sinyal akımları her zaman en düşük empedanslı yolu kullanır

Birkaç megahertz ve üzeri frekanslarda, sinyal akımı yolunun belirlenmesi nispeten kolaydır çünkü en düşük empedansa sahip yol genel olarak en düşük endüktansa sahip yoldur. Şek. Şekil 2, bir baskılı devre kartı üzerindeki iki bileşeni göstermektedir. 50 MHz sinyali, A bileşeninden B bileşenine çokgen üzerinden iletken boyunca yayılır.



Aynı büyüklükteki bir sinyalin B bileşeninden A bileşenine geri yayılması gerektiğini biliyoruz. Bu akımın (buna geri dönüş diyelim) B bileşeninin GND etiketli terminalinden A bileşeninin GND olarak da etiketlenmiş terminaline aktığını varsayalım. .

Poligonun sürekliliği sağlandığı ve her iki bileşenin de GND olarak işaretlenen pinleri birbirine yakın yerleştirildiği için bu durum akımın aralarındaki en kısa yolu (yol 1) izleyeceği sonucuna götürür. Ancak bu doğru değil. Yüksek frekanslı akımlar en düşük endüktans yolunu (veya en küçük döngü alanına sahip yolu, en az dönüş yolunu) alır. Sinyal dönüş akımının çoğu, poligon boyunca doğrudan sinyal izinin (yol 2) altındaki dar bir yolda akar.

Şekil 3'te gösterildiği gibi herhangi bir nedenle çentikli bir çokgen yapılmışsa, çentik 1'in sinyal bütünlüğü ve emisyon üzerinde çok az etkisi olacaktır. Diğer çentik 2 önemli sorunlara yol açabilir; tavsiye 2 ile çelişiyor. Döngü alanı önemli ölçüde artıyor; ters akımlar o kadar yoğundur ki süreksizlik sınırı boyunca akarlar.



Açık düşük frekanslar(genellikle kHz ve altı), en düşük empedanslı yol, en düşük sinyal frekansına sahip yol olma eğilimindedir. Katı dönüş akımı poligonlarına sahip bir baskılı devre kartı için, çokgenlerin direnci akımı dağıtma eğilimindedir, böylece iki uzak nokta arasında akan akım, Şekil 4'te gösterildiği gibi kartın daha geniş bir alanına yayılabilir.



Düşük frekanslı analog ve dijital bileşenlere sahip karma bir sinyal kartında bu sorun olabilir. Şekil 5, bir zemin düzleminde iyi yerleştirilmiş bir süreksizliğin, belirlenmiş bir alanda zeminden akan düşük frekanslı dönüş akımlarını yakalayarak durumu nasıl düzeltebileceğini göstermektedir.



Kural 2: Dönüş Sinyali Poligonunu Patlatmayın

Bu doğru. Az önce size, dönüş sinyali akım yolunda bir mola vermenin doğru karar olduğu bir durumda mükemmel bir örnek gösterdik. Ancak tipik EMC mühendisleri olarak bunu asla yapmamanızı tavsiye ederiz. Neden? Çünkü iyi anlaşılan insanlardan aldığımız gelişmelerin çoğu, istemeden Kural 1'in çiğnenmesi ve dönüş poligonlarında boşluklar yaratılmasının sonucu olmuştur. Dahası, çoğu zaman boşluk etkisiz ve gereksizdi.

Bir öneri, analog sinyal dönüş akımının her zaman dijital sinyal dönüş akımından izole edilmesi gerektiğidir. Bu fikir, analog ve dijital devreler kilohertz frekanslarında çalışır. Örneğin, dijital ses için kullanılan kartlar, kartın hassas analog amplifikatörlerin bulunduğu alanı altında yayılan düşük frekanslı dijital sinyal akımlarının etkisinden dolayı sıklıkla gürültü sorunları yaşıyordu. Bir süre önce, ses tasarımcıları, dönüş yollarını kontrol etmek için dönüş akımı poligonlarını ayırarak ve analog akım devrelerini dijital olanlardan çıkararak bu sorunu önlemeye çalıştılar.

Öğrencilerimize, hassas analog bileşenlerin (genellikle amplifikatörler) korunmasını gerektiren bir tasarım problemini çözme görevi verilir. ses frekansı veya faz kilitli osilatörler) dönüş sinyali akım yolunu LF akımları izole edilecek ve HF akımları karışmayacak şekilde bölerek devrenin dijital kısmından çıkarın. Bunun nasıl yapılabileceği genellikle açık değildir ve çoğu zaman çokgenlerdeki boşluklar çözdüklerinden daha fazla sorun yaratır.

Benzer bir durum, otomotiv veya havacılık radyo-elektronik ekipmanı için lastikleri kablolarken ortaya çıkar. Bu tür ekipmanlarda, dijital devrenin aracın metal yapısından geçebilen yüksek LF akımlarından zarar görmesini önlemek için dijital devrenin dönüş akımları genellikle ortak muhafazadan izole edilir. EMI filtreleme ve geçici koruma tipik olarak şasiye bağlantı gerektirirken, sinyalin dijital dönüş sinyali veriyoluna göre iletilmesi gerekir.

Paket devre ve dijital dönüş akımı poligonları aynı veri yolunu paylaştığında, tek bir süreksiz poligon olarak görünürler. Bu bazen tek bir bileşenin hangi toprağa bağlanması gerektiği konusunda kafa karışıklığına neden olur. Bu durumda, şasi veri yolu ile dijital dönüşü ayrı veri yollarında kablolamak genellikle iyi bir fikirdir. Dijital dönüş çokgeni sağlam olmalı ve tüm dijital bileşenlerin, izlerin ve konektörlerin altındaki alanı kaplamalıdır. Şasiye bağlantı, kartın konektörlerin yakınındaki alanıyla sınırlı olmalıdır.

Kuşkusuz, dönüş akımı yolunda iyi yerleştirilmiş bir kesmenin gerekli olduğu durumlar vardır. Bununla birlikte, en güvenilir yöntem, tüm dönüş sinyali akımları için tek bir katı poligondur. Ayrı olduğu durumlarda düşük frekanslı sinyal alma duyarlı (kart üzerindeki diğer sinyallerle karışabilen), bu akımı kaynağa geri döndürmek için ayrı bir katmanda bir iz kullanılır. Genel olarak, bir sinyal dönüş akımı poligonunu asla bölmeyin veya kesmeyin. Düşük frekanslı izolasyon sorununu çözmek için çokgende bir kesmenin gerekli olduğuna hala inanıyorsanız, bir uzmana danışın. Tasarım yönergelerine veya uygulamalarına güvenmeyin ve benzer bir tasarımda başka biri için çalışmış bir devreyi uygulamaya çalışmayın.

Artık iki ana EMC kuralına aşina olduğumuza göre, Şekil 1'deki sorunu tekrar gözden geçirmeye hazırız. 1. Alternatiflerden hangisi en iyisidir? İlki, kuralları ihlal etmeyen tek kişidir. Herhangi bir nedenle (tasarımcının isteği dışında), topraklama poligonunda bir boşluk gerekliyse, üçüncü kablolama seçeneği daha kabul edilebilir. Süreksizlik boyunca izleme, sinyal akımı döngüsünün alanını en aza indirir.

Kural 3: Konektörler Arasına Yüksek Hızlı Devreler Yerleştirmeyin

Bu, laboratuvarımızda inceleyip değerlendirdiğimiz en yaygın pano tasarımlarından biridir. İÇİNDE basit tahtalar herhangi bir ek maliyet ve çaba olmaksızın tüm EMC gereklilikleri altında arıza olmaması gereken, iyi koruma ve filtreleme, bu basit kural ihlal edildiğinden geçersiz kılındı.

Konnektör yerleşimi neden bu kadar önemli? Birkaç yüz megahertz'in altında, dalga boyu bir metre veya daha fazladır. Tahta üzerindeki iletkenler - olası antenler - nispeten kısa elektrik uzunluklarına sahiptir ve bu nedenle verimsiz çalışır. Ancak panoya bağlı kablolar veya diğer cihazlar oldukça etkili antenler olabilir.

İletkenlerden geçen ve katı çokgenlerden dönen sinyal akımları, çokgenin herhangi iki noktası arasında küçük voltaj düşüşleri oluşturur. Bu gerilimler poligondan geçen akımla orantılıdır. Tüm konektörler kartın aynı kenarına yerleştirildiğinde, voltaj düşüşü ihmal edilebilir düzeydedir.

Bununla birlikte, konektörler arasına yerleştirilen yüksek hızlı devre elemanları, konektörler arasında kolayca birkaç milivolta veya daha fazlasına kadar bir potansiyel farkı oluşturabilir. Bu voltajlar, bağlı kablolarda uyarma akımlarını indükleyerek radyasyonlarını artırabilir.

Her şeyi yöneten tahta teknik gereksinimler, konektörler bir kenarda bulunduğunda, kartın karşı tarafında bir kablo bağlı tek bir konektör bile varsa, bir EMC mühendisi için bir kabus olabilir. Bu tür bir sorun sergileyen ürünlerin (sağlam bir topraklama yoluyla indüklenen gerilim taşıyan kablolar) düzeltilmesi özellikle zordur. Genellikle bu, oldukça iyi bir tarama gerektirir. Çoğu durumda, konektörler kartın bir tarafında veya bir köşesinde bulunuyorsa, bu korumaya hiç ihtiyaç duyulmaz.

Kural 4. Kontrol Sinyali Geçiş Süresi

Üzerinde çalışan tahta saat frekansı 100 MHz, 2 GHz çalışma gereksinimlerini asla karşılamamalıdır. İyi biçimlendirilmiş bir dijital sinyal, düşük harmoniklerde çok fazla güce sahip olacak ve yüksek harmoniklerde o kadar fazla güce sahip olmayacaktır. Sinyalin geçiş zamanını kontrol ederek sinyalin gücünü EMC için tercih edilen daha yüksek harmoniklerde kontrol etmek mümkündür. Aşırı uzun geçiş süreleri, sinyal bütünlüğüne ve termal sorunlara yol açabilir. Geliştirme ve tasarım sürecinde, birbiriyle yarışan bu önkoşullar arasında bir uzlaşmaya varılmalıdır. Sinyal periyodunun yaklaşık %20'si kadar bir geçiş süresi, karışma ve radyasyondan kaynaklanan sorunları azaltan kabul edilebilir bir dalga formuyla sonuçlanır. Uygulamaya bağlı olarak geçiş süresi, sinyal süresinin %20'sinden fazla veya az olabilir; ancak bu süre kontrolsüz olmamalıdır.

Dijital sinyallerin kenarlarını değiştirmenin üç ana yolu vardır:
- hızı gerekli hıza uyan bir serinin dijital mikro devrelerinin kullanılması,
- çıkış sinyali ile seri olarak ferrit üzerine bir direnç veya indüktör yerleştirilmesi ve
- çıkış sinyaline paralel bir kondansatör yerleştirmek

İlk yol genellikle en basit ve en etkili olanıdır. Direnç veya ferrit kullanmak, tasarımcıya geçici olaylar üzerinde daha fazla kontrol sağlar ve zaman içinde mantık ailelerinde meydana gelen değişiklikler üzerinde daha az etkiye sahiptir. Kontrol için kapasitör kullanmanın avantajı, ihtiyaç olmadığında kolayca çıkarılabilmesidir. Ancak, kapasitörlerin RF kaynağının akımını arttırdığı unutulmamalıdır.

Dönüş akımı yolunda tek telli bir sinyali filtrelemeye çalışmanın her zaman kötü bir fikir. Örneğin, yüksek frekanslı gürültüyü filtrelemek amacıyla asla düşük frekanslı bir izi dönüş poligonundaki bir boşluktan geçirmeyin. İlk iki kuralı göz önünde bulundurduktan sonra, bu açık olmalıdır. Ancak, bu yanlış stratejiyi kullanan panolara bazen laboratuvarımızda rastlanır.

Genel olarak, kartın yapısı ve düzeninin tasarlanması sürecinde, EMC kurallarına uymaya öncelik vermek gerekir. Diğer EMC tavsiyelerine uyulmaya çalışılırken bu kurallardan taviz verilmemelidir. Ancak, dikkate alınması gereken birkaç ek öneri var. Örneğin, güç rayının yeterli şekilde ayrılmasını sağlamak, G/Ç kablolarını kısa tutmak ve çıkış sinyallerinin filtrelenmesini sağlamak önemlidir.

Aktif cihazları dikkatli bir şekilde seçmek de iyi bir fikirdir. Pim uyumlu yarı iletken bileşenlerin tümü gürültü açısından eşdeğer değildir. Aynı teknik özelliklere sahip ancak farklı üreticiler tarafından üretilmiş iki aygıt, giriş, çıkış ve güç pimlerinde ürettikleri gürültü açısından önemli ölçüde farklılık gösterebilir. Bu, özellikle mikroişlemciler ve büyük uzmanlaşmış devreler gibi yüksek derecede entegre devreler için geçerlidir. Entegre devreler(ASIK). Mümkün olduğunda farklı satıcılardan gelen bileşenleri değerlendirmek iyi bir fikirdir.

Ve son olarak, tasarımınızı tekrar gözden geçirin. Deneyimli bir PCB tasarımcısı ve EMC uzmanı olsanız bile, EMC analizi konusunda bilgili ve PCB tasarımına aşina birinin olması iyidir. Tasarımınızı eleştirel bir şekilde gözden geçirmesini sağlayın.

Kimin tavsiyesine güvenebilirsin? Tavsiyeleri açıkça dört ana kuralı yerine getirmenize yardımcı olan herkese güvenin. Tasarım sırasında biraz daha fazla dikkat edilmesi, ödün vermeyen bir ürünün doğru şekilde çalışmasını sağlamaya çalışırken boşa harcanacak çok fazla zaman, para ve çaba tasarrufu sağlayabilir.

Makalenin çevirisi:
Dr. Todd Hubing, Dr. tom van doren
EMC için Tasarım: İLK 4 KILAVUZ
Baskılı Devre Tasarım ve İmalatı, Haziran 2003

Dr. Todd Huebing, Seçkin Elektrik Mühendisliği Profesörü ve bilgisayar Bilimi, iki kez ödüllendirildi En İyi Yayınlar Uluslararası Elektrik ve Elektronik Mühendisleri Enstitüsü Sempozyumu Sempozyumu”.

Dr. tom van doren, Missouri Roll Üniversitesi Elektromanyetik Uyumluluk Laboratuvarında elektrik ve bilgisayar mühendisliği profesörü.

Baskılı devre kartlarını maliyet optimizasyonu ile tasarlarken, bir takım önemli sorunlar ortaya çıkar. İlk hedef PCB'yi olabildiğince küçük tasarlamak olsa da, tüm sistem için en ucuz çözüm olmayabilir. PCB boyutunu azaltmak, PCB katmanlarının sayısını artırarak mümkündür, bu da büyük proje maliyetlerine yol açabilecek EMC sorunlarını ortaya çıkarır.

Elektromanyetik girişim, EMI veya Elektromanyetik uyumluluk, EMC, PCB tasarımında önemli bir faktördür. Cihazın bir bütün olarak elektromanyetik uyumluluğunu sağlamak, eğer tasarımcı baskılı devre kartlarının tasarımında ve imalatında "köşeleri kestirirse" son derece maliyetli bir süreç olabilir, bu nedenle bazı maliyet düşürücü yaklaşımlar en baştan atılmalıdır. Bileşenler EMI ile etkileşime girecek veya EMI yayacaksa, test aşamasında EMC gereksinimlerini karşılamak için yüksek maliyetler gerektirecektir.

Dört katmanlı bir kartın, EMI koruması ve kart yönlendirmesinin en uygun dengesi olduğu düşünülürken, aynı özelliklere sahip iki katmanlı bir kart tasarlamak genellikle mümkündür. ücretsiz fonlar gibi PCB izleri DesignSpark PCB'si. Bu, gelecekteki testlerin seyrini etkilemeden baskılı devre kartı üretim maliyetinde önemli bir azalma sağlar.

Sinyal dönüş yolları, PCB yönlendirmedeki en zor problemdir. Mikrodenetleyicinin sinyal pini ile ilişkili her izin altındaki dönüş zeminini izlemek oldukça zor olacaktır, ancak bu, zemin katmanına sahip dört katmanlı bir kartın tam olarak sağladığı şeydir. İzlerin nereye gittiği önemli değil, her zaman altlarında toprağa giden bir dönüş sinyali yolu vardır.

İki katmanlı bir panoda, özellikler açısından zemin katmanına en yakın olan, sinyal yollarından elektromanyetik parazit emisyonunu azaltan toprak ızgarasıdır. Dönüş yolunu sinyal izi altından yönlendirerek döngünün alanını azaltmak bu sorunu çözmenin en etkili yoludur ve bir topraklama ızgarası oluşturmak PCB yönlendirmede (yerleşim planlamasından sonra) en önemli adımdır.

Kafes üretimi bir yüzey oluşturur

Kafes üretimi, çift katmanlı panolarda EMC elde etmek için önemli bir tekniktir. Bir güç şebekesine çok benzer şekilde, topraklanmış iletkenler arasındaki dikdörtgen bağlantılardan oluşan bir ağdır. Aslında bu, 4 katmanlı bir kartla aynı EMI azaltmasını sağlayan bir zemin düzlemi oluşturur ve EMC'yi iyileştirmek için 4 katmanlı bir kartta kullanılan zemin düzlemini etkili bir şekilde taklit ederek her sinyal izinin altında toprağa bir dönüş yolu oluşturur ve mikrodenetleyici ve voltaj regülatörü arasındaki empedans.

Şebeke üretimi, PCB yüzeyi boyunca bir toprak bağlantıları ağı oluşturmak için toprak izlerinin uzatılması ve topraklanmış iletken düz şekiller oluşturulmasıyla gerçekleştirilir. Örneğin, bir PCB ağırlıklı olarak dikey olarak çalışan üst katman izlerine ve ağırlıklı olarak yatay olarak çalışan alt katman izlerine sahipse, bu genellikle iki adımda gerçekleştirilen sinyal izleri altında toprağa dönüş yollarını yönlendirme koşullarını zaten kötüleştirir:

• ilk olarak, baskılı devre kartında en büyük alanı kaplamak için tüm topraklama iletkenleri genişletilir;
• sonra diğer her şey müsait yer topraklanmış bir yüzeyle doldurulmuştur.

Bu yaklaşımın amacı, iki katmanlı bir baskılı devre kartı üzerinde mümkün olduğu kadar büyük bir ızgara oluşturmaktır. PCB düzeninde yapılacak küçük değişiklikler, ek bağlantıların topraklama ızgarasının alanını artırmasına izin verebilir.

PCB imar

PCB bölgeleme, PCB gürültüsünü ve EMI'yi azaltmak ve böylece ek PCB katmanlarına olan ihtiyacı azaltmak için kullanılabilecek başka bir teknolojidir. Bu teknik, yönlendirme izlerinden önce bileşenleri boş bir tahtaya yerleştirme işlemi olan bileşen yerleştirme planlaması ile aynı temel anlama sahiptir. PCB bölgeleri, işlevsel olarak farklı bileşenleri bir arada karıştırmak yerine, benzer işlevleri aynı PCB bölgesine yerleştirmenin biraz daha karmaşık bir işlemidir. Mikrodenetleyiciler de dahil olmak üzere yüksek hızlı mantık, güç devrelerine mümkün olduğunca yakın, yavaş bileşenler daha uzağa ve analog bileşenler daha uzağa yerleştirilmiştir. Bu yaklaşım, baskılı devre kartının EMC'sini önemli ölçüde etkiler.

Bu düzenleme ile yüksek hızlı mantık, diğer sinyallerin iletkenleri üzerinde daha az etkiye sahiptir. Kristal döngünün analog devrelerden, düşük hızlı sinyallerden ve konektörlerden uzağa yerleştirilmesi özellikle önemlidir. Bu kural, baskılı devre kartları için olduğu kadar bileşenlerin cihazın içine yerleştirilmesi için de geçerlidir. Kablo demetlerinin bir rezonatörün veya mikrodenetleyicinin etrafına yerleştirildiği düzenlerden kaçınılmalıdır, çünkü bu kablolar gürültüyü alıp her yere taşıyacaktır. Böylece bölgeleme yapılırken konnektörlerin baskılı devre kartı üzerindeki yerleşimi de belirlenmiş olur.

PCB Geliştirme Araçları

EMC optimizasyonu göz önünde bulundurularak tasarımı desteklemek için birçok geliştirme aracı mevcuttur. Bu araçlardan biri Tasarım Kıvılcımı PCB'si En son sürüm, izleme tamamlandıktan sonra kontrol yapıldığında değil, izleme sırasında tasarım kuralları denetimini (DRC) destekleyen. Herhangi bir çakışma veya hata anında bildirildiğinden ve çözülebileceğinden, bu özellikle bir PCB'yi maliyet açısından optimize ederken kullanışlıdır. Elbette bu kontroller, tasarımcının verdiği bilgilerin eksiksizliğine bağlıdır, ancak bu yaklaşım, yönlendirme sürecini hızlandırmanızı ve böylece diğer önemli konular için zaman kazanmanızı sağlar.

Versiyon 5 DesignSpark PCB Çevrimiçi Tasarım Kuralı Denetimi, etkileşimli düzenleme işlemlerinin sonucu olarak eklenen ve taşınan tüm bileşenleri kontrol eder. Örneğin, taşınan bir bileşene bağlı tüm kablolar ve manuel yönlendirme sırasında eklenen tüm kablolar kontrol edilir.

Sürüm 5, izlerin kolayca gruplanabilmesi ve birlikte yönlendirilebilmesi için veri yolu desteği de ekledi. Tasarımcı, bir tasarımdaki tüm bağlantıları çizmek ve bunları her pime bağlamak yerine, sinyalin içinden geçtiği veri yoluna bileşen pin bağlantıları ekleyerek veri yollarıyla daha az karmaşık bir tasarım oluşturabilir.

Şekil 1: DesignSpark PCB Versiyon 5'e Bara Ekleme

Lastikler açık veya kapalı olabilir. Kapalı bir veri yolu, belirli bir veri yolu için önceden tanımlanmış bir kablo adları koleksiyonudur ve yalnızca bu kablolar belirli bir veri yoluna bağlanabilirken, açık bir veri yolu herhangi bir kabloyu içerebilir.

Bu özellikler baraları yönlendirirken mantıklı olsa da, bir PCB üzerindeki diğer izleri yönlendirmek için kullanılabilirler. Baraları devrelerde kullanma yeteneği, birden fazla EMI yayan iletkeni çevredeki topraklama dönüş iletkenleriyle birlikte gruplayarak ve böylece tasarlanmakta olan panodaki EMI'yi azaltarak tasarımı daha basit ve net hale getirmeye yardımcı olabilir. iyi kural Temel kural, kartın dışında hiçbir zaman EMI yayan izler bulundurmamaktır; bu, iki katmanlı küçük panolar için zor olabilir. EMI olmayan devreleri, bu devrelerde EMI'nin indüklenebileceği konektörler, rezonatör devreleri, röleler, röle sürücüleri gibi konumlardan uzak tutmak da elektromanyetik uyumluluğun iyileştirilmesine yardımcı olur.

Çözüm

Maliyeti düşürmek için gereken basitlikte bir PCB tasarlamak, belki de çok katmanlı bir kartın zenginliğinden yararlanmaktan daha zorlayıcıdır.

Bazı EMC sorunları, yayılabilecek herhangi bir sinyali bastırmak için kuplaj kapasitörleri ve ferrit boncuklar kullanılarak çözülebilir, ancak bu, tasarıma karmaşıklık katar ve üretim maliyetini artırır. EMI ve EMC sorunları, bölgelere ayırma ve karışma hususları kullanılarak doğru tasarım kurallarıyla en aza indirilebilirse, güç ve toprak şebekesi üretimi, dört veya altı katmanlı bir tasarımda mümkün olan iki katmanlı bir panoda aynı düzeyde koruma sağlayabilir. Bu sadece kart üretim maliyetini azaltmakla kalmaz, aynı zamanda elektromanyetik uyumluluk da dahil olmak üzere güvenilirliği ve performansı artırır, böylece maliyeti düşürür. yaşam döngüsü teçhizat.

Tüketici elektroniğindeki kar marjları düşüktür ve üreticiler rekabet gücünü korumak için ürün maliyetlerini düşük tutmaya çalışır. Bu nedenle tasarımcıların, cihazların istenen işlevselliğini korurken düşük maliyetli baskılı devre kartları (PCB'ler) ve bileşenleri kullanmalarını gerektirir. Üreticiler, PCB tasarımında elektromanyetik uyumluluk (EMC) sağlamanın ve yüksek EMC bileşenleri kullanmanın karşılayamayacakları bir lüks olduğuna inanıyor.

Birçoğu, EMC sorunlarının geliştirme döngüsünün sonunda ek EMI bastırma bileşenleri ile çözülebileceğine inanıyor. Geliştirmenin son aşamalarında bu tür düzeltmelerin maliyetinin, bir PCB oluştururken tasarımın ilk aşamalarında elektromanyetik uyumluluğu sağlamanın maliyetlerinden çok daha yüksek olacağı her zaman açık değildir. Böylece, malzeme ve bileşenlerin maliyetini düşürme isteği, aslında ürünün maliyetinde önemli bir artışa yol açacaktır.

Düşük gürültü seviyesi ve girişime karşı minimum hassasiyete sahip bir PCB tasarlamak için, öncelikle topraklama devresini düzgün bir şekilde düzenlemek ve ikinci olarak baskılı devre kartını doğru şekilde düzenlemek gerekir. Parazit oluştuğunda verimli akım akışını sağlamak için herhangi bir PW'nin minimum toprak empedansına sahip olması arzu edilir. Öte yandan, iyi bir baskılı devre kartı oluşturmak için ön koşul olan yetkin bir düzendir. Doğru yönlendirme, yalnızca iletkenlerin empedansını azaltmakla kalmaz, aynı zamanda ortak empedans kuplajını da önler.

Yüksek Frekans PCB: Dijital Devreler ve Gürültü

Mantık kapıları içeren dijital tümleşik devreler (IC'ler), transistör kapatma gecikmeleri nedeniyle geçici bir gürültü kaynağıdır. Mantık kapısının durumu her değiştiğinde, çıkış aşamasının tamamlayıcı transistörlerinden kısa bir akım darbesi akar. Toprak izlerinin endüktansı, akımın aniden değişmesine izin vermez, bu da voltaj yükselmesine neden olur.

Bu tür girişimin etkisini azaltmak için, tüm dijital devrelerin minimum toprak empedansına sahip olması gerekir. Ek olarak, her bir mantık yongasının yanına, kaçak devrenin darbe akımı Vcc güç kaynağına yayılmaz.

Toprak empedansı birkaç şekilde azaltılabilir: iletken izin endüktansını azaltarak, akım döngülerinin alanını azaltarak ve akımı taşıyan yolların uzunluğunu azaltarak. Bu, kısmen her bir mantık yongasının yanında bulunan bileşenlerin ayrıştırılmasıyla yapılabilir.

Toprak iletkenlerinin endüktansının azaltılması

Bir iletkenin endüktansı, uzunluğu ile doğru orantılıdır. Bu nedenle, darbeli akımların aktığı yolların uzunluğunu azaltmak gerekir. Güç izlerinin genişliğini artırarak endüktansta ek bir azalma da mümkündür. Ne yazık ki endüktans iz genişliği ile ters orantılıdır ve bu yaklaşım çok verimli değildir. Sonuç olarak minimum endüktansın sağlanması açısından en önemli faktör hat uzunluğudur.

Karşılıklı endüktansı ihmal edersek, iki özdeş paralel yolun eşdeğer endüktansı yarı yarıya olacaktır. Dört paralel iz olması durumunda, eşdeğer endüktans dört kat daha az olacaktır. Ancak, bu yaklaşımı kullanmanın bir sınırı vardır. Gerçek şu ki, izler birbirine yakınsa, karşılıklı endüktans öz endüktansa yaklaşır ve eşdeğer endüktans azalmaz. Ancak izler, genişliklerinin iki katı aralıklarla yerleştirilirse endüktansta %25'lik bir azalma elde edilebilir.

Bu nedenle, yüksek frekanslı bir devrede, toprak akımlarının akışı için mümkün olduğu kadar çok alternatif paralel yol sağlamalısınız. İletkenlerin sayısı sonsuza kadar artırılırsa, sonunda katı bir toprak tabakasına geleceğiz. Çok katmanlı panolarda ayrı bir zemin katmanı kullanmak, çok sayıda sorunu aynı anda çözmenizi sağlar.

İki katmanlı bir tahtadan bahsediyorsak, zemini ızgara şeklinde uygulayarak kabul edilebilir bir sonuç elde edilebilir (Şekil 1). Bu durumda, en iyi seçenek, zemin yolunun tüm uzunluğu boyunca her mikro devrenin altından geçmesi olacaktır. Dikey ızgara aralığının kullanılmasına izin verilir, uzunluğa eşit DIR-DİR. Dikey ve yatay çizgiler, kartın zıt taraflarında olabilir, ancak geçişler kullanılarak ızgara düğümlerinde bağlanmalıdır.

Pirinç. 1. Dünya ızgara şeklinde yapılmıştır

15 mikro devreli geleneksel bir çift taraflı baskılı devre kartında zemin ızgara şeklinde yapılırsa, zemin gürültüsünün on kat azaldığı ortaya çıktı. Bu nedenle, dijital IC'lere sahip tüm çift katmanlı baskılı devre kartları böyle bir çözüm kullanmalıdır.

Akım döngülerinin alanını azaltmak

Endüktansı azaltmanın bir başka yöntemi de akım döngülerinin alanını azaltmaktır. Büyük bir açık döngüye (Şekil 2a) sahip bir baskılı devre kartı, etkili bir gürültü üretecidir. Ayrıca devrenin kendisi de harici manyetik alanlara duyarlı olacaktır.

Akımların zıt yönlerde aktığı iki özdeş paralel izden (Vcc besleme izi ve GND toprak izi) oluşan bir güç devresini düşünün. Toplam endüktansları (Lt), formül 1 kullanılarak hesaplanır:

Lt = 2 (L - M) (1)

burada L her izin endüktansıdır ve M karşılıklı endüktanstır.

Vcc ve zemin izlerini birbirine yakın yerleştirirseniz karşılıklı endüktans maksimum olur ve etkin endüktans neredeyse yarıya iner. İdeal olarak, PCB'de Vcc izi toprak izine paralel olmalıdır. Bu, akım döngüsünün alanını azaltır ve gürültü oluşumu ve parazite duyarlılık ile ilgili sorunların çözülmesine yardımcı olur.

Şek. Şekil 2a, baskılı devre kartının başarısız bir düzenini gösterir ve Şek. 2b geliştirilmiş bir versiyonu göstermektedir. Devre alanını azaltarak, yolun uzunluğunu azaltmak ve karşılıklı endüktansı artırmak mümkün oldu, bu da emisyonlarda ve parazite karşı duyarlılıkta bir azalma elde etmeyi mümkün kıldı.

Ayırma Kondansatörleri

Şek. 3 ve Vcc güç ve toprak izleri birbirine yakın. Bununla birlikte, güç kaynağında başlayan ve biten darbeli akımın yolu, elektromanyetik girişim oluşturabilen büyük bir döngü (şekildeki yeşil alan) oluşturur. Vcc ve toprak devreleri arasına bağlı bir dekuplaj seramik kondansatör Cc, her bir IC'nin yanına yerleştirilirse, anahtarlama süresi boyunca IC'ye güç sağlamak için bir tampon elemanı görevi görür ve böylece akım akış döngüsünü azaltır.

Pirinç. 3. Dekuplaj kondansatörü

İdeal olarak, dekuplaj kapasitörü 1 nF civarında olmalıdır. Seramik kapasitörler, çok yüksek oranda yük boşaltma yeteneğine sahip oldukları için kullanılmalıdır. Yüksek deşarj akımı ve düşük öz endüktans, onları güç dekuplaj uygulamaları için ideal hale getirir.

Baskılı devre kartlarında empedans kuplajı

Şek. Şekil 4, ortak güç ve topraklama rayları kullanılırken bir empedans kuplajı örneğini göstermektedir. Bu devrede, analog amplifikatör güç ve toprak raylarını mantık geçidi ile paylaşır. İz empedansları toplu öğeler (Zg ve Zs) olarak gösterilir. Açık yükseltilmiş frekanslar izlerin empedansları kat kat artar. Bu sadece endüktif bileşendeki bir artıştan değil, aynı zamanda cilt etkisinin neden olduğu direncin artmasından kaynaklanmaktadır.

Pirinç. 4. Ortak empedans kuplajı

Daha önce gördüğümüz gibi, mantık kapısı her değiştiğinde bir voltaj yükselmesi meydana gelir. Toprak empedansının (Zg3) bir kısmı hem amplifikatör hem de mantık kapısı için ortaktır, dolayısıyla amplifikatör bu voltaj darbesini güç devresinde gürültü olarak görecektir. Bu gürültü, doğrudan güç girişi yoluyla veya ortak empedans Zg3 aracılığıyla amplifikatör devresine aktarılabilir. Sonuç olarak, gürültü doğrudan amplifikatörün girişinde görünecektir. Genel empedans kuplajını azaltmak için, ya genel empedans değerini azaltın ya da ondan tamamen kurtulun.

Ortak Empedansı Ortadan Kaldırın

Ortak empedans, güç devrelerinin bağlantısı kullanılarak ortadan kaldırılabilir. farklı şemalarŞekil 5'te gösterildiği gibi bir noktada (“yıldız”). Bunu yapmak için, devreleri kendi gürültü seviyelerine ve parazite duyarlılıklarına göre gruplandırmak gerekir. Her grup içinde ortak veri yolları kullanılabilir, ancak bireysel grupların güç hatları bir noktada bağlanır. Böyle bir bağlantıya hibrit denir. İkinci yaklaşım, her devre grubu için ayrı güç kaynakları kullanmak ve devreler arasındaki izolasyonu daha da iyileştirmektir.

Pirinç. 5. Tek noktada bağlantı