Учебное пособие 800552

а)

б)

Рис. 8.10. Паразитная связь через электрическое поле (вольт-зависимая связь) между активным компонентом и радиатором

Ток-зависимая связь

Вслучае паразитной связи между источником и рецептором через магнитное поле, пропорциональной сигнальному току, ее относят к токзависимой. Паразитные наводки, создаваемые подобным образом, встречаются гораздо чаще из-за того, что разработчики, в первую очередь, обращают внимание на сигнальные напряжения и только потом на сигнальные токи. Однако пренебрежение рассмотрением путей протекания тока может привести

квозбуждению двух потенциальных частей антенны при помощи магнитного поля. На рис. 8.11 представлен один из распространенных случаев токзависимой связи.

Вданном случае ПП имеет разъемы, установленные на противоположных сторонах, к которым подключены экранированные кабели, при этом экранирующая оплетка кабеля подключена к заземляющему слою. ПП содержит единственный микрополосковый печатный проводник, расположенный между этими двумя разъемами, питаемый с одного конца и нагруженный на другом конце (рис. 8.11, а).

Микрополосковый печатный проводник не является источником излучаемых помех, в то время как экранирующие оплетки двух кабелей, напротив, являются вероятными частями паразитной антенны. В идеальном случае эти экранирующие оплетки должны иметь одинаковый потенциал, поскольку подключены к общему заземляющему слою. Однако на практике в этом слое будут протекать непреднамеренные питающие и сигнальные токи.

100

В данном примере слой заземления проводит сигнальный ток, при протекании которого создается магнитный поток, расположенный вокруг ПП. Рассматривая кабели как две части антенны и представив пути антенных токов через ее импеданс, как показано на рис. 8.11, б, становится очевидным, что токи, протекающие в микрополосковом печатном проводнике, создают падение напряжения вдоль ПП, которое возбуждает одну экранирующую оплетку кабеля относительно другой.

а)

б)

Рис. 8.11. Паразитная связь через магнитное поле (ток-зависимая связь) между двумя соединительными кабелями

Несмотря на то что падение напряжения обычно на несколько порядков ниже амплитуды сигнального напряжения и составляет мВ, излучаемые паразитной антенной помехи вполне могут превысить нормативные требования. В случае расположения высокоскоростных цифровых компонентов между разъемами на ПП обеспечить соответствие требованиям по излучаемым помехам без применения экранирующего корпуса будет очень проблематично. Однако расположение двух разъемов вблизи друг от друга обеспечит минимальную разность потенциалов между ними и, как следствие, минимальные уровни помехоэмиссии.

101

Непосредственные наводки на цепи ввода/вывода

Несмотря на то что данный вид паразитной связи не является самостоятельным, его широкое распространение требует отдельного рассмотрения. На рис. 8.12 представлен пример образования подобной связи, когда наводки от источника помех, воздействуя непосредственно на цепи ввода/вывода, способны проникать далеко за пределы ПП.

Рис. 8.12. Образование непосредственных наводок на цепи ввода/вывода

В данном случае печатный проводник, содержащий сигналы средней скорости, расположен вблизи от другого печатного проводника, подключенного к разъему. Напряжения и/или токи, наводимые от одного проводника на другой (посредством электрического или магнитного поля), могут распространиться через цепи ввода/вывода за пределы ПП. Представляя кабель, возбуждаемый относительно ПП, или один проводник кабеля, возбуждаемый относительно второго проводника, как две антенные части, можно предположить создание значительных уровней непреднамеренного ЭМИ.

Несмотря на очевидную опасность такой трассировки, подобные ситуации очень часто возникают на практике. Действительно, при наличии на ПП сотен или даже тысяч печатных проводников, разведенных автоматизированным способом, такое соседство легко не заметить. Если применяемый автотрассировщик не позволяет проверить прокладку проводников ввода/вывода в опасной близости от высокоскоростных трасс, то разработчику необходимо сделать это самостоятельно.

Все вышесказанное в полной мере касается и цепей ввода/вывода, проложенных вблизи печатных проводников, соединяющих уязвимые компоненты, поскольку это самый простой путь проникновения внешних помех на ПП.

102

Контрольные вопросы к разделу

1.Какая общая последовательность действий при выборе той или иной стратегии трассировки ПП?

2.В чем особенность проектирования цепей синхронизации цифровых устройств и цепей передачи цифровых данных?

3.В чем особенность проектирования силовых переключающих цепей?

4.В чем особенность проектирования цепей питания и низкоскоростных цифровых цепей?

5.Какими двумя основными правилами необходимо руководствоваться при определении критических путей тока?

6.В чем особенности протекания возвратного тока на НЧ и ВЧ?

7.Выполнение каких условий необходимо для создания паразитной излучающей антенны?

8.Что может являться потенциальными частями паразитной антенны на НЧ и ВЧ?

9.Назовите четыре основные группы возможных механизмов электромагнитной связи.

10.В чем основная суть вольт-зависимой связи?

11.В чем основная суть ток-зависимой связи?

12.Каков механизм проявления непосредственных наводок на цепи ввода/вывода?

103

9. РАЗВЯЗКА ШИН ПИТАНИЯ В ЦИФРОВЫХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТАХ

Одной из важных составляющих при разработке конструкции цифровой ПП в части развязки шин питания является использование развязывающих конденсаторов, которые размещаются между проводниками питания и заземления для обеспечения стабилизации напряжения, подаваемого на активный цифровой элемент. В момент резкого изменения тока, протекающего через данный элемент, развязывающий конденсатор, обеспечивает локальный источник питания, способный быстро обеспечить требуемый ток без просадки напряжения на выводах питания. Неудовлетворительная развязка ПП приводит к чрезмерным помехам в шинах питания и является причиной возникновения проблем в части целостности сигнала и ЭМС.

9.1. Оценка индуктивности соединения развязывающего конденсатора

Под эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) конденсатора подразумевается индуктивность петли, сформированной током, который входит в один вывод и выходит из другого. Для конденсаторов поверхностного монтажа (SMT) ESL более точно охарактеризовать как индуктивность соединения, поскольку ESL в большей степени зависит от формы соединения, чем от внутренней конструкции конденсатора. Индуктивность соединения – один из важнейших факторов, влияющих на способность развязывающего конденсатора обеспечивать ток на ВЧ. Для оценки индуктивности соединения должна быть определена эффективная полоса частот, в которой осуществляется развязка. Для инженерной оценки индуктивности соединения развязывающих конденсаторов различных видов может быть использована следующая методика.

Шаг 1 – определение петли

Необходимо определить развязывающую токовую петлю, зависящую от типа системы питания, в которой используется развязывающий конденсатор:

а) с проводниками питания/заземления; б) со слоями питания/заземления.

А. Система питания в виде печатных проводников

Вданном случае токовая петля будет состоять из двух печатных проводников, развязывающего конденсатора и цифрового элемента, как представлено на рис. 9.1.

Б. Система питания в виде слоев питания/заземления

Вэтом случае токовая петля начинается от развязывающего конденсатора, проходит через переходное отверстие на один слой питания, затем от него – на второй слой питания и через переходное отверстие возвращается

кконденсатору.

104

Импеданс пути между слоями питания и заземления ZПП обычно не рассматривается как часть индуктивности соединения. ZПП может быть

рассчитан независимо от индуктивности части петли выше слоев. Импеданс соединения с учетом слоев определяется как

где L – индуктивность пути тока выше слоев питания, представлено на рис. 9.2.

Рис. 9.1. Токовая петля для системы питания в виде печатных проводников

Рис. 9.2. Токовая петля для системы питания в виде слоев питания/заземления

Шаг 2 – выбор типа эквивалентной формы

Для оценки индуктивности развязывающего конденсатора удобно использовать индуктивность эквивалентной формы. Подобное упрощение позволяет использовать для вычисления индуктивности выражения в закрытой форме.

А. Система питания в виде печатных проводников

В случае короткой прямоугольной развязывающей токовой петли (w<5h), представленной на рис. 9.3, а, для вычисления индуктивности используется следующее выражение в закрытой форме:

105

где N – число витков; w – ширина прямоугольника; h – высота прямоугольника; a – эквивалентный радиус проводника; r – относительная магнитная

проницаемость среды (для диамагнетиков можно принять равной 1); 0 – магнитная постоянная ( 4 10 7 Гн/м).

Рис. 9.3. Упрощенные эквивалентные формы токовых петель для системы питания в виде печатных проводников

В случае длинной прямоугольной развязывающей токовой петли (w>5h), представленной на рис. 9.3, б, вначале находится удельная индуктивность двух проводников, которая затем умножается на длину петли w

где w – длина большей стороны петли; d – расстояние между центрами проводников; a – эквивалентный радиус проводника; r – относительная

магнитная проницаемость среды (для диамагнетиков можно принять равной 1);0 – магнитная постоянная ( 4 10 7 Гн/м).

Б. Система питания в виде слоев питания/заземления

В случае короткой прямоугольной развязывающей токовой петли (w<5h), расположенной над слоем, используется выражение в закрытой форме для короткой прямоугольной петли LКР.ПРЯМ с параметром h, равным 2h1, а затем

полученное значение делится пополам, что представлено на рис. 9.4, а.

В случае длинной прямоугольной развязывающей токовой петли (w>5h), расположенной над слоем, представленной на рис. 9.4, б, вначале находится удельная индуктивность проводника над заземляющим слоем, которая затем умножается на длину петли w

где h – высота центра проводника над заземляющим слоем; a – радиус эквивалентного проводника; r – относительная магнитная проницаемость

среды (для диамагнетиков можно принять равной 1); 0 – магнитная постоянная ( 4 10 7 Гн/м).

Рис. 9.4. Упрощенные эквивалентные формы токовых петель для системы питания в виде слоев питания/заземления

Шаг 3 – определение параметров в эквивалентной форме

А. Система питания в виде печатных проводников

В качестве значения ширины петли w берется расстояние, по которому ток протекает через конденсатор. На рис. 9.5 приведено несколько графических примеров.

Рис. 9.5. К определению значения ширины петли w

Б. Система питания в виде слоев питания/заземления

Высота петли h будет приблизительно равна половине высоты развязывающего конденсатора плюс расстояние между конденсатором и ближайшим слоем заземления (см. рис. 9.2).

В. Для всех видов системы питания

Радиус эквивалентного проводника a берется равным ¼ ширины корпуса конденсатора или печатного проводника (рис. 9.6). Как правило, на практике соединения состоят из переходных отверстий, печатных проводников, контактных площадок и выводов конденсатора с разными эквивалентными радиусами, поэтому для учета наихудшего случая выбирается наименьшее значение.

107

Рис. 9.6. Переход от плоской структуры к эквивалентному представлению круглым проводником

Пример 1. Для ПП с системой питания в виде печатных проводников определить индуктивность соединения развязывающего конденсатора, подключенного к ИМС в соответствии с рис. 9.7, а. Ширину печатных проводников принять равной 1 мм.

Рис. 9.7. Пример расчета индуктивности соединения развязывающего конденсатора

Вначале необходимо перейти от физического расположения элементов к соответствующей эквивалентной форме в виде прямоугольной петли. Длина и ширина прямоугольной петли находятся на основании пути тока, обозначенного на рис. 9.7, а пунктирной линией. Длина эквивалентной прямоугольной петли составляет 8 мм плюс половина длины треугольного фрагмента токовой петли (22 мм / 2 = 11 мм). С учетом полученных значений w=8 мм и h=19 мм можно сделать вывод, что данная эквивалентная прямоугольная петля является короткой и для расчета используется выражение (9.2). Эквивалентный радиус проводника равен ¼ ширины печатного проводника (1 мм / 4 = 0,25 мм). Полученные эквивалентные структуры представлены на рис. 9.7, б. Подставляя найденный величины в выражение (9.2), получаем ответ LСОЕД 33 нГн .

108

Пример 2. Для ПП с системой питания в виде слоев питания/заземления определить индуктивность соединения развязывающего конденсатора, подключенного к ИМС в соответствии с рис. 9.8. DIP корпус ИМС и конденсатор располагаются на высоте 3 мм от ближайшего питающего слоя. Ширину печатных проводников принять равной 1 мм, диаметр переходных отверстий принять равным 1 мм. Собственным импедансом слоев питания/заземления пренебречь.

Рис. 9.8. Пример расчета индуктивности соединения развязывающего конденсатора

Общая индуктивность подключения будет определяться суммой индуктивностей соединения развязывающего конденсатора и соединения DIP корпуса ИМС.

Для вычисления индуктивности соединения развязывающего конденсатора LCAP определяется ширина и высота эквивалентной петли, равные

w=10 мм и h1=3 мм соответственно. Данная эквивалентная прямоугольная петля является короткой, и для расчета используется выражение (9.2), а с учетом наличия сплошного слоя необходимо принять h=2h1=6 мм. Радиус эквивалентного проводника выбирается как наименьший между радиусом переходного отверстия (1 мм / 2 = 0,5 мм) или эквивалентным радиусом печатного проводника (1 мм / 4 = 0,25 мм). Подставим значения в выражение (9.2) и поделим полученный результат пополам LCAP 8,4 нГн .

Для вычисления индуктивности соединения DIP корпуса ИМС LDIP

определяются ширина и высота эквивалентной петли, равные w=30 мм и h=3 мм, соответственно. Данная эквивалентная прямоугольная петля является длинной и для расчета используется выражение (9.4). Радиус эквивалентного проводника выбирается как наименьший между радиусом переходного отверстия (1 мм / 2 = 0,5 мм) или эквивалентным радиусом печатного проводника (1 мм / 4 = 0,25 мм). Подставляя значения в выражение (9.4), получаем

LDIP 19 нГн .

Общая индуктивность соединения составит LСОЕД LCAP LDIP 27,4 нГн .

109