Supprimez le bruit et les interférences électromagnétiques (EMI) dans votre PCB avec la bonne conception de filtre analogique

L'industrie électronique continue d'intégrer davantage de capacités sur des PCBs plus petits et les dispositifs fonctionnent avec moins d'énergie et à des fréquences plus élevées. La suppression du bruit devient encore plus importante à mesure que les fréquences de fonctionnement augmentent et que les niveaux de signal diminuent, cela devient plus gérable avec un filtre EMI pour le bruit sur une conception de PCB. Ajouter une filtration à vos conceptions de PCB peut améliorer l'intégrité du signal dans des environnements susceptibles aux EMI avec de grands champs magnétiques parasites et dans des applications RF de faible puissance.

Les normes de l'industrie exigent même que votre dispositif inclue la suppression du bruit, le filtre EMI et les capacités de filtre EMC. Pour respecter les normes d'émissions conduites, le bruit EMI doit être supprimé à des fréquences de 150 kHz à 30 MHz. Certains produits ont des normes plus strictes et les limites inférieures commencent à 9 kHz. Les applications IoT nécessitent un filtrage de l'ondulation à 1 MHz pour maintenir l'intégrité des données et du signal.

Filtres Actifs vs. Passifs

L'une de mes premières conceptions de PCB nécessitait de construire un dispositif pour mesurer des signaux externes à basse fréquence. Ma première tentative a résulté en un gâchis embrouillé de points de données alors que je m'attendais à ce que mes mesures soient assez cohérentes. Bientôt, j'ai trouvé le coupable : ma source d'alimentation de faible qualité produisait une tension avec un bruit significatif. Plutôt que d'opter pour une mise à niveau majeure de l'alimentation, j'ai pu résoudre ce problème en concevant un filtre de bruit EMI directement sur mon Circuit Imprimé.

Même si vous avez suivi toutes les meilleures techniques de conception pour la suppression du bruit et la réduction des interférences électromagnétiques (EMI), votre conception peut encore être sensible au bruit. Pour améliorer davantage l'intégrité du signal, des méthodes de filtrage actives et passives peuvent être utilisées pour réduire à la fois le filtre EMI et l'EMC. Avant de sélectionner quels filtres seront utilisés dans votre Circuit Imprimé, testez toujours vos conceptions de filtre et assurez-vous que le filtre répond aux normes de réduction du bruit et d'Interférence Électromagnétique applicables aux PCBs.

Les filtres passifs utilisent l'impédance des composants électroniques standards pour prévenir le bruit dans les circuits à certaines fréquences. Les filtres actifs combinent des composants de filtration passifs avec des composants alimentés comme des amplificateurs ou des transistors. Les filtres actifs peuvent également être conditionnés sous forme de dispositif monté en surface avec un faible encombrement.

Avant de créer une conception de filtre PCB EMI ou de suppression de bruit, vous devez connaître quelque chose sur les bandes de fréquences que vous essayez de filtrer de vos signaux.

PCB conçu pour des applications micro-ondes

Un exemple simple de filtre actif est le filtre actif passe-bas du premier ordre. Un filtre RC passe-bas peut être connecté à un amplificateur opérationnel non inverseur. Cette topologie est également applicable à un filtre passe-bande ou passe-haut. Les filtres actifs du second ordre ont une conception plus compliquée. Les filtres de troisième ordre et supérieurs sont facilement construits en chaînant en série plusieurs filtres du premier et du second ordre, et ces filtres offrent une coupure plus abrupte aux bords de la bande de filtrage.

L'avantage principal de l'utilisation d'un filtre actif est le gain qui peut être fourni. L'amplification peut être appliquée en incluant des résistances de feedback et de tirage sur l'entrée inverseuse.

La petite empreinte des CI d'op-amp permet de placer des filtres puissants sur votre agencement de PCB, laissant beaucoup d'espace restant pour d'autres composants. L'inconvénient des filtres actifs est que les op-amps ont une forte atténuation à haute fréquence, et les filtres actifs ne peuvent être utilisés que dans des applications de basse fréquence.

Filtres Microstrip Passifs

Des traces microstrip peuvent être utilisées pour construire des filtres passifs qui sont intégrés directement dans le PCB. La fréquence centrale et la bande passante peuvent être ajustées en fonction de la géométrie du microstrip. Ces filtres sont faciles à fabriquer, mais ils ont tendance à avoir une empreinte plus grande que d'autres filtres passifs.

Analyser ces filtres est également assez simple puisque leur géométrie permet de les modéliser comme un circuit d'inducteurs et de condensateurs. Si l'analyse de circuits vous vient naturellement, alors ces filtres peuvent être rapidement réduits à un circuit équivalent et vous pouvez déterminer les formules des propriétés de filtrage à la main.

Différentes géométries et agencements de microstrip fonctionneront comme un filtre passe-bande, passe-bas ou passe-haut. Les filtres passe-haut véritables sont extrêmement difficiles à fabriquer en utilisant des éléments microstrip distribués. Une manière de former un filtre passe-haut est d'utiliser une conception passe-bande avec une bande passante extrêmement élevée et une fréquence de coupure supérieure. Les filtres qui semblent avoir une topologie passe-haut s'avèrent être des filtres passe-bande lorsque leur comportement à haute fréquence est analysé.

Filtres d'Alimentation

Les alimentations électriques convertissent typiquement le courant alternatif (AC) en courant continu (DC) en utilisant un circuit redresseur avec un condensateur de lissage. La sortie de l'alimentation peut contenir une certaine tension résiduelle de ripple, même si l'alimentation contient un filtrage intégré. La tension de ripple résiduelle peut être supprimée en concevant un simple filtre d'alimentation passif.

Les régulateurs linéaires peuvent supprimer une grande partie de la tension de ripple basse fréquence provenant d'une alimentation électrique, mais ils perdent en efficacité pour les composants de bruit au-dessus d'environ 10 kHz. Les composants de fréquence plus élevée dans la gamme des 100 kHz peuvent être supprimés avec un filtre LC. Filtrer encore des composants de fréquence plus élevée dans la gamme des MHz peut être accompli en plaçant des condensateurs de découplage parmi les ICs.

Garder à l'esprit les bonnes exigences de tension vous aidera à gérer votre filtre EMI intégré

Filtrer le ripple de tension et ses harmoniques d'ordre supérieur jusqu'à 1 MHz devient important dans les dispositifs IoT. Lors de la transmission de données dans les dispositifs IoT, les données sont envoyées à un module de bande de base qui encode les données en un signal de 1 MHz. Ce signal de 1 MHz sera mélangé avec le signal porteur dans le module émetteur RF. Éliminer le ripple de tension et le bruit jusqu'aux fréquences MHz maintient l'intégrité du signal et des données pendant la transmission sans fil.

Les logiciels de conception de PCB comme Altium Designer^® facilitent l'ajout de capacités de suppression de bruit à votre dispositif. Leurs bibliothèques de composants étendues et leur interface de conception basée sur des règles rendent la conception de vos filtres un jeu d'enfant. Parlez à un expert Altium aujourd'hui pour en savoir plus.

Découvrez Altium en action...

Conception puissante de PCB