Подавление шумов и ЭМП в вашей печатной плате с помощью правильного дизайна аналоговых фильтров

Электронная промышленность продолжает увеличивать функциональные возможности на более маленьких печатных платах, а устройства работают на более низком энергопотреблении и на более высоких частотах. Подавление помех становится еще более важным по мере увеличения рабочих частот и снижения уровней сигналов, это становится более управляемым с помощью фильтра ЭМП для шума на дизайне печатной платы. Добавление фильтрации в ваши дизайны печатных плат может улучшить целостность сигнала в средах, подверженных ЭМИ, с большими странствующими магнитными полями и в приложениях с низкой мощностью РЧ.

Стандарты отрасли даже требуют, чтобы ваше устройство включало подавление шума, фильтр ЭМП и возможности фильтра EMC. Для соответствия стандартам по проводимым эмиссиям, шум ЭМП должен быть подавлен на частотах от 150 кГц до 30 МГц. Некоторые продукты имеют более строгие стандарты, и нижние пределы начинаются с 9 кГц. Приложения IoT требуют фильтрации пульсаций на 1 МГц для поддержания целостности данных и сигнала.

Активные против Пассивных Фильтров

Одна из моих первых разработок печатной платы требовала создания устройства для измерения внешних низкочастотных сигналов. Моя первая попытка привела к запутанному набору данных, когда я ожидал, что мои измерения будут довольно стабильными. Вскоре я нашел виновника: мой некачественный блок питания выдавал напряжение со значительными помехами. Вместо того, чтобы прибегать к крупному обновлению блока питания, мне удалось решить эту проблему, разработав фильтр шума ЭМП непосредственно на моей печатной плате.

Даже если вы следовали всем лучшим методикам подавления шумов и снижения ЭМИ, ваша конструкция все еще может быть подвержена шумам. Для дальнейшего улучшения целостности сигнала можно использовать активные и пассивные методы фильтрации для снижения как ЭМИ фильтра, так и ЭМС. Прежде чем выбирать, какие фильтры будут использоваться на вашей печатной плате, всегда тестируйте ваши конструкции фильтров и убедитесь, что фильтр соответствует применимым стандартам по снижению шума и электромагнитных помех для печатных плат.

Пассивные фильтры используют импеданс стандартных электронных компонентов для предотвращения шумов в цепях на определенных частотах. Активные фильтры сочетают в себе пассивные компоненты фильтрации с питаемыми компонентами, такими как усилители или транзисторы. Активные фильтры также могут быть выполнены в виде устройства поверхностного монтажа с малым размером.

Прежде чем создавать конструкцию фильтра ЭМИ для печатной платы или подавление шумов, вам нужно знать кое-что о частотных диапазонах, которые вы пытаетесь отфильтровать из ваших сигналов.

Печатная плата, предназначенная для микроволновых приложений

Простым примером активного фильтра является активный фильтр нижних частот первого порядка. К неинвертирующему операционному усилителю можно подключить RC-фильтр нижних частот. Эта топология также применима к полосовым или фильтрам верхних частот. Активные фильтры второго порядка имеют более сложную конструкцию. Фильтры третьего и более высоких порядков легко создаются путем последовательного соединения нескольких фильтров первого и второго порядка, и эти фильтры обеспечивают более крутой срез на краях полосы фильтрации.

Основным преимуществом использования активного фильтра является усиление, которое может быть предоставлено. Усиление может быть применено путем включения резисторов обратной связи и подтяжки к земле на инвертирующем входе.

Малый размер микросхем операционных усилителей позволяет размещать мощные фильтры на вашей печатной плате, оставляя много свободного места для других компонентов. Недостатком активных фильтров является то, что операционные усилители имеют высокое ослабление на высоких частотах, и активные фильтры могут использоваться только в приложениях низких частот.

Пассивные микрополосковые фильтры

Микрополоски могут использоваться для создания пассивных фильтров, которые встраиваются непосредственно в печатную плату. Центральная частота и полоса пропускания могут быть скорректированы на основе геометрии микрополоски. Эти фильтры легко изготавливаются, но они имеют больший размер, чем другие пассивные фильтры.

Анализ этих фильтров также довольно прост, поскольку их геометрия позволяет моделировать их как схему из индукторов и конденсаторов. Если анализ схем для вас естественен, то эти фильтры можно быстро свести к эквивалентной схеме, и вы можете вручную вывести формулы для фильтрующих свойств.

Различные геометрии и компоновки микрополосковых линий могут функционировать как полосовые, низкочастотные или высокочастотные фильтры. Создание настоящих высокочастотных фильтров с использованием распределенных микрополосковых элементов чрезвычайно сложно. Один из способов создания высокочастотного фильтра - использование конструкции полосового фильтра с очень широкой полосой пропускания и высокой частотой среза. Фильтры, которые кажутся высокочастотными по топологии, оказываются полосовыми фильтрами при анализе их поведения на высоких частотах.

Фильтры для источников питания

Источники питания постоянного тока обычно преобразуют переменный ток в постоянный с помощью выпрямительной схемы с сглаживающим конденсатором. Выходное напряжение источника питания может содержать некоторое остаточное пульсирующее напряжение, даже если в источнике питания есть встроенная фильтрация. Остаточное пульсирующее напряжение можно подавить, разработав простой пассивный фильтр источника питания.

Линейные регуляторы могут подавлять большую часть низкочастотного пульсирующего напряжения от источника питания, но их эффективность снижается для компонентов шума выше примерно 10 кГц. Компоненты более высокой частоты в диапазоне 100 кГц могут быть подавлены с помощью LC-фильтра. Фильтрация компонентов еще более высокой частоты в диапазоне МГц может быть достигнута путем размещения обходных конденсаторов среди микросхем.

Учитывая правильные требования к напряжению, вы сможете управлять вашим интегрированным фильтром ЭМП

Фильтрация пульсаций напряжения и их высших гармоник до 1 МГц становится важной в устройствах IoT. Во время передачи данных в устройствах IoT данные отправляются на базовый модуль, который кодирует данные в сигнал 1 МГц. Этот сигнал 1 МГц будет смешиваться с несущим сигналом в модуле передатчика РЧ. Удаление пульсаций напряжения и шума до частот МГц поддерживает целостность сигнала и данных во время беспроводной передачи.

Программное обеспечение для проектирования печатных плат, такое как Altium Designer^®, упрощает добавление возможностей подавления шума в ваше устройство. Их обширные библиотеки компонентов и интерфейс проектирования на основе правил делают проектирование ваших фильтров легким делом. Поговорите с экспертом Altium сегодня, чтобы узнать больше.

Посмотрите Altium в действии...

Мощное проектирование печатных плат