Elimina il rumore e l'EMI nella tua PCB con il giusto design del filtro analogico

L'industria elettronica continua a integrare maggiori capacità su PCB più piccoli e i dispositivi vengono alimentati a potenze inferiori e a frequenze più elevate. La soppressione del rumore diventa ancora più importante man mano che le frequenze operative aumentano e i livelli di segnale diminuiscono, ciò diventa più gestibile con un filtro EMI per il rumore su un design di PCB. Aggiungere la filtrazione ai tuoi progetti PCB può migliorare l'integrità del segnale in ambienti inclini all'EMI con grandi campi magnetici dispersi e in applicazioni RF a bassa potenza.

Gli standard industriali richiedono addirittura che il tuo dispositivo includa capacità di soppressione del rumore, filtro EMI e filtro EMC. Per soddisfare gli standard sulle emissioni condotte, il rumore EMI deve essere soppresso a frequenze da 150 kHz a 30 MHz. Alcuni prodotti hanno standard più rigorosi e i limiti inferiori iniziano a 9 kHz. Le applicazioni IoT richiedono un filtraggio del ripple a 1 MHz per mantenere l'integrità dei dati e del segnale.

Filtri Attivi vs. Passivi

Uno dei miei primi progetti PCB richiedeva la costruzione di un dispositivo per misurare segnali esterni a bassa frequenza. Il mio primo tentativo ha risultato in un groviglio confuso di punti dati quando mi aspettavo che le mie misurazioni fossero piuttosto consistenti. Presto, ho trovato il colpevole: il mio alimentatore di bassa qualità forniva una tensione con un rumore significativo. Piuttosto che optare per un importante aggiornamento dell'alimentatore, sono stato in grado di risolvere questo problema progettando direttamente sul mio Circuito Stampato un filtro per il rumore EMI.

Anche se hai seguito tutte le migliori tecniche di progettazione per la soppressione del rumore e la riduzione dell'EMI, il tuo progetto potrebbe comunque essere suscettibile al rumore. Per migliorare ulteriormente l'integrità del segnale, si possono utilizzare metodi di filtraggio attivi e passivi per ridurre sia il filtro EMI che l'EMC. Prima di selezionare quali filtri verranno utilizzati nel tuo Circuito Stampato, testa sempre i tuoi progetti di filtro e assicurati che il filtro soddisfi gli standard applicabili di riduzione del rumore e di Interferenza Elettromagnetica per i PCB.

I filtri passivi utilizzano l'impedenza di componenti elettronici standard per prevenire il rumore nei circuiti a determinate frequenze. I filtri attivi combinano componenti di filtraggio passivi con componenti alimentati come amplificatori o transistori. I filtri attivi possono anche essere confezionati come un dispositivo montato in superficie con un ingombro ridotto.

Prima di creare un progetto di filtro PCB EMI o di soppressione del rumore, è necessario conoscere qualcosa sulle bande di frequenza che si sta cercando di filtrare dai tuoi segnali.

PCB progettato per applicazioni a microonde

Un semplice esempio di filtro attivo è il filtro attivo passa basso del primo ordine. Un filtro RC passa basso può essere collegato a un amplificatore operazionale non invertente. Questa topologia è applicabile anche a un filtro passa banda o passa alto. I filtri attivi di secondo ordine hanno un design più complicato. I filtri di terzo ordine e superiori sono facilmente costruiti collegando in serie più filtri di primo e secondo ordine, e questi filtri offrono un taglio più netto ai bordi della banda di filtraggio.

Il principale vantaggio nell'uso di un filtro attivo è il guadagno che può essere fornito. L'amplificazione può essere applicata includendo resistori di feedback e di pull-down sull'ingresso invertente.

Le piccole dimensioni degli IC degli op-amp permettono di posizionare filtri potenti sul layout del PCB, lasciando molto spazio libero per altri componenti. Lo svantaggio dei filtri attivi è che gli op-amp hanno un'alta attenuazione alle alte frequenze, e i filtri attivi possono essere utilizzati solo in applicazioni a bassa frequenza.

Filtri Microstrip Passivi

Le tracce microstrip possono essere utilizzate per costruire filtri passivi che sono incorporati direttamente nel PCB. La frequenza centrale e la larghezza di banda possono essere regolate in base alla geometria del microstrip. Questi filtri sono facili da produrre, ma tendono ad avere un'ingombro maggiore rispetto ad altri filtri passivi.

L'analisi di questi filtri è altrettanto semplice poiché la loro geometria consente di modellarli come un circuito di induttori e condensatori. Se l'analisi dei circuiti ti viene naturale, allora questi filtri possono essere rapidamente ridotti a un circuito equivalente e puoi determinare a mano le formule per le proprietà di filtraggio.

Le diverse geometrie e configurazioni dei microstrip funzioneranno come filtro passa-banda, passa-basso o passa-alto. I filtri passa-alto autentici sono estremamente difficili da fabbricare utilizzando elementi microstrip distribuiti. Un modo per creare un filtro passa-alto è utilizzare un progetto passa-banda con una larghezza di banda estremamente alta e una frequenza di taglio superiore. I filtri che sembrano avere una topologia passa-alto risultano essere filtri passa-banda quando viene analizzato il loro comportamento ad alta frequenza.

Filtri per Alimentatori

Gli alimentatori DC convertono tipicamente la corrente AC in corrente DC utilizzando un circuito raddrizzatore con un condensatore di livellamento. L'uscita dell'alimentatore può contenere una certa tensione residua di ripple, anche se l'alimentatore include filtri integrati. La tensione di ripple residua può essere soppressa progettando un semplice filtro passivo per alimentatore.

I regolatori lineari possono sopprimere gran parte del ripple di tensione a bassa frequenza proveniente da un'alimentazione, ma perdono efficacia per le componenti di rumore superiori a circa 10 kHz. Le componenti ad alta frequenza nell'intervallo dei 100 kHz possono essere soppressi con un filtro LC. Filtrare componenti ancora più alte nella gamma dei MHz può essere realizzato posizionando condensatori di bypass tra gli IC.

Tenendo a mente i giusti requisiti di tensione ti aiuterà a gestire il tuo filtro EMI integrato

Filtrare il ripple di tensione e le sue armoniche di ordine superiore fino a 1 MHz diventa importante nei dispositivi IoT. Durante la trasmissione dati nei dispositivi IoT, i dati vengono inviati a un modulo baseband che codifica i dati in un segnale da 1 MHz. Questo segnale da 1 MHz verrà miscelato con il segnale portante nel modulo trasmettitore RF. Rimuovere il ripple di tensione e il rumore fino alle frequenze dei MHz mantiene l'integrità del segnale e dei dati durante la trasmissione wireless.

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