微弱信號(hào)檢測(cè)電路PCB的電磁抗干擾仿真分析

黃年龍，吳明贊，李 竹

(南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京210094)

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，處于同一工作環(huán)境的各種電子元器件的距離越來(lái)越近，電磁兼容的問(wèn)題已日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)［1］。電路中的電磁干擾現(xiàn)象也越來(lái)越突出，電路板的電磁兼容設(shè)計(jì)成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵［2］。通常電磁屏蔽可以有效地抑制外部的電磁干擾［3-4］，但對(duì)于微弱信號(hào)檢測(cè)電路內(nèi)部的電磁噪聲，需采用PCB的電磁抗干擾設(shè)計(jì)來(lái)抑制［5-6］。本文從電磁抗干擾設(shè)計(jì)抑制電磁輻射噪聲的角度對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)電路的PCB進(jìn)行電磁仿真，并對(duì)PCB的布局布線對(duì)近場(chǎng)分布的影響進(jìn)行仿真研究。

1 PCB中電磁干擾源及其抑制措施

1.1 PCB中電磁干擾源分析

PCB中電磁干擾主要包括公共阻抗耦合和串?dāng)_、高頻載流導(dǎo)線產(chǎn)生的輻射、印制線條對(duì)高頻輻射的感應(yīng)等，其中高頻輻射問(wèn)題最為嚴(yán)重［7］。PCB中的電磁輻射包括電場(chǎng)輻射和磁場(chǎng)輻射，當(dāng)PCB上走線的長(zhǎng)度等于輻射電磁波1/4波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，PCB中的金屬線條會(huì)起到天線的作用向外輻射高頻能量，同時(shí)也能接收外部的高頻干擾。電場(chǎng)輻射可以用偶極子天線的原理來(lái)解釋，其長(zhǎng)度l與橫向尺寸均遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)。圖1是在球坐標(biāo)系下電偶極子輻射場(chǎng)示意圖。同樣磁場(chǎng)輻射可以用磁偶極子來(lái)解釋，圖2是在球坐標(biāo)系下磁偶極子輻射場(chǎng)示意圖。

圖1 電偶極子輻射場(chǎng)示意圖

圖2 磁偶極子輻射場(chǎng)示意圖

1.2 微弱信號(hào)檢測(cè)電路PCB的電磁抗干擾設(shè)計(jì)

微弱信號(hào)檢測(cè)電路的電磁抗干擾設(shè)計(jì)需要使用很多低噪聲設(shè)計(jì)方法［8］，主要在布局、布線和接地等方面。對(duì)于微弱信號(hào)檢測(cè)電路，能用低速芯片的情況下，盡量使用低速芯片，并且在滿足系統(tǒng)要求的情況下使用低頻率的時(shí)鐘。微弱信號(hào)檢測(cè)電路的PCB應(yīng)按電流強(qiáng)度進(jìn)行分區(qū)，大電流區(qū)域與小電流區(qū)域應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母綦x。PCB設(shè)計(jì)時(shí)盡量將干擾源遠(yuǎn)離敏感器件(如DAC芯片)，DAC的參考電壓端盡量遠(yuǎn)離數(shù)字信號(hào)線。I/O端口盡量靠近PCB板的邊緣放置。當(dāng)與PCB板外的信號(hào)線相連時(shí)，需要使用屏蔽電纜，并對(duì)其有效接地。

微弱信號(hào)檢測(cè)電路的時(shí)鐘走線應(yīng)盡量短，且周圍應(yīng)用地線進(jìn)行隔離。PCB中盡量避免直角折線，采用45°折線可降低高頻信號(hào)對(duì)外輻射。對(duì)于PCB中敏感信號(hào)線應(yīng)在其周圍加地線進(jìn)行保護(hù)，PCB中的小信號(hào)走線應(yīng)避免靠近大電流信號(hào)線，并且避免與高速線路平行走線。PCB布線時(shí)盡量減小回路環(huán)的面積，以降低感應(yīng)噪聲。在石英晶振下方和敏感器件下方不要走線。

應(yīng)在微弱信號(hào)檢測(cè)電路的每個(gè)集成電路的電源和地引腳之間接去耦電容和高頻旁路電容，以穩(wěn)定集成電路的電源端電壓并對(duì)高頻噪聲進(jìn)行濾除。接電容的引線應(yīng)盡量短，以免因寄生電感引起諧振。微弱信號(hào)檢測(cè)電路的PCB如采用單面板或雙面板設(shè)計(jì)且電路中低頻電路為主時(shí)，應(yīng)采用并行單點(diǎn)接地，不應(yīng)采用串行單點(diǎn)接地方式。為了減小電路中公共阻抗耦合，地線和電源線應(yīng)盡量粗。

2 微弱信號(hào)檢測(cè)電路PCB的電磁場(chǎng)仿真

2.1 建立仿真模型

Ansoft Designer集成了基于物理原型的電磁仿真、建模以及電路和系統(tǒng)分析的無(wú)縫連接環(huán)境。為了獲得S參數(shù)，軟件采用混合電位積分方程(MPIE)的方法，在MPIE中采用矩量法計(jì)算電流密度J，這樣就能通過(guò)電流密度求得S參數(shù)和輻射場(chǎng)［9］。

在Protel DXP中畫(huà)好PCB以后保存為DXF格式，在Ansoft Designer中導(dǎo)入此文件，然后進(jìn)行PCB疊層設(shè)計(jì)，建立仿真模型。圖3為微弱信號(hào)采集模塊的PCB仿真模型圖。圖4為采用抗干擾設(shè)計(jì)措施調(diào)整布局布線后的PCB仿真模型圖。

圖3 PCB仿真模型圖

圖4 調(diào)整走線后PCB仿真模型圖

2.2 調(diào)整走線前PCB的電磁場(chǎng)仿真

建立仿真模型后，添加激勵(lì)源并設(shè)置掃描頻率，通過(guò)校驗(yàn)檢查后即可進(jìn)行仿真。本文主要考慮PCB上輻射場(chǎng)對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)電路的影響，電磁干擾源的諧波頻率在30 MHz以上時(shí)表現(xiàn)為輻射干擾，本文選取50 MHz和100 MHz兩個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行仿真。圖5～圖8為仿真得到的50 MHz和100 MHz兩個(gè)頻率點(diǎn)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)近場(chǎng)分布圖。

從圖5～圖8的仿真結(jié)果可以直觀地看出PCB中場(chǎng)強(qiáng)較強(qiáng)區(qū)域的分布情況，可以看到隨著諧波頻率的增大，近場(chǎng)輻射強(qiáng)度也會(huì)增強(qiáng)，相應(yīng)地對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)電路及其周圍電子器件的電磁干擾也會(huì)更加嚴(yán)重。

2.3 調(diào)整走線后PCB的電磁場(chǎng)仿真

根據(jù)之前的仿真結(jié)果，按照電磁抗干擾設(shè)計(jì)方法對(duì)PCB中場(chǎng)強(qiáng)較強(qiáng)區(qū)域內(nèi)的走線進(jìn)行調(diào)整，增大相鄰走線之間距離，避免采用直角走線。為了盡量減小電磁輻射對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)電路的影響，調(diào)整敏感信號(hào)的走線，避開(kāi)這些場(chǎng)強(qiáng)較強(qiáng)的區(qū)域。圖4是采用抗干擾設(shè)計(jì)措施調(diào)整走線后的PCB仿真文件。圖9～圖12為調(diào)整后再次進(jìn)行仿真得到的50 MHz和100 MHz兩個(gè)頻率點(diǎn)的電場(chǎng)、磁場(chǎng)近場(chǎng)分布圖。

圖9～圖12是PCB經(jīng)過(guò)調(diào)整走線后的仿真結(jié)果，從圖中可以看出經(jīng)過(guò)調(diào)整走線后近場(chǎng)輻射較之前有明顯減弱，且場(chǎng)強(qiáng)較強(qiáng)區(qū)域的輻射范圍比以前有明顯減小，從而證明經(jīng)過(guò)走線調(diào)整后PCB的電磁兼容性得到明顯改善。

圖5 50 MHz電場(chǎng)分布(調(diào)整前)

圖6 100 MHz電場(chǎng)分布(調(diào)整前)

圖7 50 MHz磁場(chǎng)分布(調(diào)整前)

圖8 100 MHz磁場(chǎng)分布(調(diào)整前)

圖9 50 MHz電場(chǎng)分布(調(diào)整后)

圖10 100 MHz電場(chǎng)分布(調(diào)整后)

圖11 50 MHz磁場(chǎng)分布(調(diào)整后)

圖12 100 MHz磁場(chǎng)分布(調(diào)整后)

2.4 調(diào)整走線前后仿真結(jié)果比較分析

根據(jù)走線調(diào)整前后的仿真結(jié)果可知，走線調(diào)整前PCB的近場(chǎng)輻射范圍和數(shù)值均較大，產(chǎn)生的電磁干擾也較強(qiáng)。表1列出了調(diào)整走線前后的近場(chǎng)仿真數(shù)據(jù)。

表1 調(diào)整走線前后的近場(chǎng)數(shù)據(jù)

從表1中的數(shù)據(jù)可知，采用電磁抗干擾設(shè)計(jì)方法對(duì)PCB中場(chǎng)強(qiáng)較強(qiáng)區(qū)域內(nèi)的走線進(jìn)行調(diào)整后，近場(chǎng)輻射范圍得到了減小。數(shù)據(jù)顯示在50 MHz，電場(chǎng)輻射強(qiáng)度最大值降低了48%，磁場(chǎng)輻射強(qiáng)度最大值降低了38%;在100 MHz，電場(chǎng)輻射強(qiáng)度最大值降低了55%，磁場(chǎng)輻射強(qiáng)度最大值降低了54%。通過(guò)仿真結(jié)果可知采用電磁兼容的設(shè)計(jì)方法有效地降低了微弱信號(hào)檢測(cè)電路PCB的近場(chǎng)輻射強(qiáng)度，從而減弱了對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)電路的電磁干擾。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)PCB中電磁干擾源進(jìn)行分析，并提出一些微弱信號(hào)檢測(cè)電路PCB的電磁抗干擾設(shè)計(jì)方法。在此基礎(chǔ)上，使用Ansoft Designer對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)電路PCB進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真分析。根據(jù)仿真得到的近場(chǎng)分布圖，對(duì)PCB的布局布線進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)調(diào)整降低了PCB的近場(chǎng)輻射，從而有效地減弱了電磁噪聲對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)電路的影響，提高了微弱信號(hào)檢測(cè)設(shè)備的性能。本文的不足之處在于只研究了PCB的布局布線對(duì)近場(chǎng)輻射的影響，仿真時(shí)如果添加更多的激勵(lì)源，會(huì)更逼近精確模型，得到的結(jié)果會(huì)更加準(zhǔn)確，這將成為以后研究的重點(diǎn)。

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