Восемь способов борьбы с паразитными ВЧ-сигналами


PDF версия

Создание топологии печатной платы зачастую напоминает шаманство. Особенно, если речь идет о печатной плате с ВЧ-сигналами.

Введение

Сигналы, синхроимпульсы и их гармоники, возникающие где-либо на плате, проникают в выходные сигналы в виде остроконечных импульсов. Кроме того, они попадают в смесители или преобразователи, где смещаются, отражаются и складываются с шумами. Даже небольшое количество таких паразитных сигналов может привести к невыполнению требований по электромагнитной совместимости.
Как правило, при разработке топологии печатных плат электромагнитный анализ не проводится, а тестирование выполняется после их изготовления. На этом этапе необходимость в доработке платы часто непредсказуемым образом увеличивает время, отведенное на реализацию проекта, и расходы.
В этом случае большую роль играет интуиция инженера, основанная на простых правилах макетирования. Их соблюдение позволяет ускорить процесс разработки и сделать его более предсказуемым.

Правило 1. Следует формировать каналы для переходов между слоями заземления

Каждому току, текущему по определенному маршруту, соответствует точно такой же обратный ток. Хотя существует много методов организации соединений, путь для обратного тока, как правило, прокладывается через соседний слой заземления или по дорожке заземления, пролегающей вдоль сигнальной линии. Если путь обратного тока лежит в одной плоскости и сигнальная линия не выходит за пределы своей плоскости, схема работает нормально. Но в случаях, когда сигнальные линии переходят с верхнего на внутренний или на нижний слой, для обратного тока также следует прокладывать отдельный путь.
Эта ситуация проиллюстрирована на рисунке 1. Непосредственно под проводником с сигнальным током проложен путь для соответствующего обратного тока. Если сигнальный ток переходит на нижний слой, обратный ток направляется в ближайший от этого места канал заземления. В случае если это невозможно сделать, обратный ток направляется до ближайшего доступного канала заземления. Однако этот дополнительный путь приводит к формированию токовой петли, действующей как индуктивный элемент. Помехи, создаваемые этой петлей, становятся еще значительнее, если она пересекает другую сигнальную линию. Другими словами, эта токовая петля работает как антенна.

 

Рис. 1. Сигнальный ток течет от вывода устройства через отверстие в плате на нижний слой. Путь для обратного тока проходит под сигнальной линией до того ближайшего отверстия, ведущего на другой слой заземления

Применение отдельных слоев заземления в подобных ситуациях — наилучший метод, но иногда высокочастотные линии располагаются на внутреннем слое. В таких случаях бывает очень трудно организовать слои заземления и над, и под сигнальным слоем, а из-за конструктивных ограничений разъемов часто приходится размещать линии питания в непосредственной близости от высокочастотных сигнальных линий. Каждый раз, когда приходится перенаправлять ток на соседние слои или сети, не имеющие связи по постоянному току, в непосредственной близости от точки перехода следует устанавливать развязывающий конденсатор.

Правило 2. Теплоотводящие площадки устройства необходимо соединять с верхней частью слоя заземления

Многие устройства на нижней части корпусов имеют теплоотводящие площадки. В ВЧ-устройствах такие площадки, как правило, заземлены, и примыкающие к ним участки платы с медным покрытием соединяются точечным способом через каналы со слоем заземления. Необходимо также соединять теплоотводящую площадку устройства непосредственно с выводами заземления. В случае нескольких путей обратный ток делится пропорционально их импедансу. Заземление через теплоотводящую площадку может обеспечить более короткий путь и более низкий импеданс по сравнению с соединением через выводы заземления.
Обеспечение хорошего электрического соединения между платой и теплоотводящей площадкой устройства является обязательным условием. Во время сборки незаполненные каналы в массиве каналов заземления на плате могут также оттягивать припой из устройства, оставляя пустоты. Заполнение каналов является верным способом удержания припоя.
Кроме того, необходимо, чтобы трафарет для нанесения припоя не заступал на слой заземления платы под устройством, чтобы не был нарушен контакт платы с корпусом устройства.

Правило 3. Следует исключить любые нарушения слоев заземления

В непосредственной близости от устройства находится много источников паразитных сигналов. Силовые сети воздействуют на устройства через локальные нарушения в соединениях и, таким образом, влияют на слои питания. В то же время наводки от шины управления могут влиять на сигнальные линии во внутренних слоях.
При разводке плат следует учитывать, что каждый канал заземления формирует вокруг себя определенную область влияния на внутренних слоях заземления, которая больше диаметра канала. Эти области приводят к нарушению путей обратного тока. Эффект увеличивается при объединении нескольких каналов, формирующих разрыв на слое заземления, который не виден при проектировании верхнего слоя с помощью САПР. На рисунке 2 показан пример такой ситуации, когда два канала между слоями питания и заземления формируют перекрывающиеся области влияния, ведущие к нарушению пути обратного тока. Обратный ток при этом вынужден огибать эти области на слое заземления, в результате чего возникают помехи из-за наведенной индуктивности.

 

Рис. 2. Области влияния в слое заземления вокруг каналов могут перекрываться, заставляя обратный ток течь вдали от сигнального пути. Даже без перекрытия этих областей могут появиться локальные непроводящие зоны, нарушающие импеданс слоя заземления

При формировании каналов заземления образуются металлические площадки, размеры которых определяются технологией изготовления печатных плат. Если канал заземления подходит слишком близко к сигнальной линии, он может сформировать локальную непроводящую зону в верхней части слоя заземления. На рисунке 2 проиллюстрирован процесс формирования такой локальной зоны.
Поскольку области влияния образуются с помощью САПР, а по системным платам проходит большое количество каналов, первоначальная разводка практически всегда имеет несколько участков нарушения путей обратного тока. При анализе макета платы необходимо тщательно проверять каждую высокочастотную линию, чтобы обнаружить зоны нарушения путей обратного тока. Следует иначе располагать любые каналы, создающие нарушения в слое заземления.

Правило 4. Следует согласовывать параметры дифференциальных линий

Путь обратного тока оказывает очень существенное влияние на характеристики сигнальной линии, поэтому его следует рассматривать как часть сигнального пути. В то же время дифференциальные пары часто расположены не очень близко друг к другу, и обратные токи могут течь по соседнему слою. Для обратных токов двух дифференциальных линий следует предусматривать электрически эквивалентные пути.
Даже если две линии дифференциальной пары не расположены рядом друг с другом, ограничения по расстояниям и распределению элементов схем побуждают направлять обратные токи по одному слою. Для поддержания низкого уровня импульсных помех требуется обеспечить очень хорошее согласование линий. Любые формируемые дорожки для обратного тока по слою заземления под дифференциальными компонентами должны быть симметричными. Аналогично, согласование по длине пути может привести к необходимости изогнуть сигнальную линию. Путь обратного тока при этом можно и не изгибать, однако изменение длины одной из дифференциальных линий обязательно должно отразиться на длине второй дифференциальной линии.

Правило 5. Нельзя проводить линии синхроимпульсов и управляющих сигналов рядом с сигнальными ВЧ-линиями

Линии синхроимпульсов и управляющих сигналов иногда располагаются рядом, поскольку они работают на низких частотах или фактически на постоянном токе. Однако их характеристики переключения имеют практически прямоугольную форму, имея явные всплески на нечетных гармониках. Излучаемая энергия на крутых фронтах импульсов гораздо выше, чем на основной частоте. При проектировании цифровых систем оценивается частота излома, определяющая самую высокочастотную гармонику, которую необходимо учесть. Эта частота рассчитывается как fknee = 0,5/tr, где tr — время нарастания фронта. Подчеркнем, что главную роль играет не частота сигнала, а время нарастания фронта. Помимо этого, прямоугольные сигналы характеризуются резкими фронтами спада, также генерирующими заметные нечетные гармоники высокого порядка. Такие высокочастотные гармоники могут проникать в ВЧ-линию, нарушая спектральную маску.
Линии синхроимпульсов и управляющих сигналов должны быть отделены от сигнальных ВЧ-линий с помощью внутренних слоев заземления или выше расположенного заземляющего покрытия. Если нет возможности изолировать сигналы с помощью слоев заземления, необходимо так проложить эти линии, чтобы они пересекались с ВЧ-линиями под прямым углом. Поскольку при этом линии магнитного потока, излучаемого вокруг линий синхроимпульсов и управляющих сигналов, формируют радиальные поля цилиндрической формы, они не индуцируют токи в сигнальных ВЧ-линиях. Уменьшение времени нарастания снижает частоту излома, ослабляя влияние линии синхроимпульсов и управляющих сигналов на сигнальные ВЧ-линии. Однако не стоит забывать, что эти управляющие линии могут сами по себе работать как приемники паразитных сигналов и стать источником их внесения в систему.

Правило 6. Следует изолировать ВЧ-линии с помощью заземления

Микрополосковые и полосковые линии передач чаще всего объединяются с соседними слоями заземления. В большинстве случаев часть магнитных линий, излучаемых в горизонтальном направлении, заканчивается на соседних дорожках. Таким образом, сигналы в ВЧ-линиях или дифференциальных парах оказывают влияние на сигналы в соседних дорожках. Однако слой заземления, расположенный рядом с сигнальным слоем, перенаправляет магнитные линии в участки с меньшим импедансом, защищая соседние дорожки от влияния ВЧ-сигналов.
Группы дорожек, по которым передаются сигналы практически одинаковой частоты, не входящей в частотный диапазон тактирующего устройства или синтезатора, могут размещаться рядом друг с другом, поскольку в таком случае вредоносные частоты уже присутствуют в передаваемых сигналах. Однако линии в группах по возможности отделяются друг от друга. При этом желательно разделять их с помощью зон заземления и каналов заземления, чтобы индуцированный обратный ток мог возвращаться вдоль номинального для него пути. Из рисунка 3 видно, что канал на конце островка заземления позволяет индуцированным токам перетечь на слой заземления. Размещать дополнительные каналы вдоль зон заземления можно на расстоянии, не превышающем 1/10 длины волны. Это условие необходимо выполнять, чтобы заземление не превратилось в резонансную структуру.

 

Рис. 3. Канал в островке заземления, разделяющем разные линии, обеспечивает путь для обратного тока

 

Правило 7. Нельзя размещать ВЧ-линии поверх зашумленных слоев питания

Если паразитный сигнал попал в слой питания, он проникнет куда угодно. Как только паразитный сигнал попадает в источник питания, он накладывается на рабочую частоту буферов, смесителей, аттенюаторов и генераторов. В результате, сигнал питания, поступивший на плату, может оказаться недостаточно чистым для управления ВЧ-схемой. Необходимо минимизировать влияние ВЧ-линий на силовые слои, особенно на слои с нефильтрованными сигналами питания.
Слои питания большой площади, соседствующие со слоями заземления, формируют высокодобротные конденсаторы, ослабляющие паразитные сигналы. Такие структуры используются как в цифровых системах связи, так и в некоторых ВЧ-системах. Другой подход заключается в минимизации размеров площадок питания, которые в этом случае становятся, скорее, проводниками большой толщины, а не площадками, что упрощает разделение между ВЧ-линиями и слоями питания. Оба метода являются допустимыми, но нельзя объединять худшие особенности каждого из них: малые площадки питания с проложенными поверх них ВЧ-линиями.

Правило 8. Следует размещать развязывающие цепи как можно ближе к устройству

Развязывающие цепи помогают избавиться не только от паразитных сигналов на входе устройства, но и от генерируемых в нем гармоник, которые в противном случае могут проникнуть в слой питания. Применение развязывающего конденсатора тем более эффективно, чем ближе он расположен к активной цепи. Локальные развязывающие цепи хуже противодействуют влиянию паразитного импеданса дорожек платы, а чем короче дорожки, тем слабее антенна, излучающая нежелательные гармоники. Рекомендуется использовать конденсаторы с самой высокой собственной частотой (как правило, это конденсаторы с наименьшими размерами корпусов и значений) и устанавливать их как можно ближе к устройству, при этом удаляя от него конденсаторы больших номиналов. На высоких частотах конденсаторы на обратной стороне платы шунтируются паразитной индуктивностью путей заземления и теряют большую часть своих шумоподавляющих качеств.

Литература
1. Pete Hanish. Eight ways to improve RF spurious performance//www.eetimes.com.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *