微弱信號檢測電路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越近，電磁兼容的問題已日益成為人們關(guān)注的焦點［1］。電路中的電磁干擾現(xiàn)象也越來越突出，電路板的電磁兼容設(shè)計成為系統(tǒng)設(shè)計的關(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］，但對于微弱信號檢測電路內(nèi)部的電磁噪聲，需采用PCB的電磁抗干擾設(shè)計來抑制［5-6］。本文從電磁抗干擾設(shè)計抑制電磁輻射噪聲的角度對微弱信號檢測電路的PCB進行電磁仿真，并對PCB的布局布線對近場分布的影響進行仿真研究。

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擾、高頻載流導(dǎo)線產(chǎn)生的輻射、印制線條對高頻輻射的感應(yīng)等，其中高頻輻射問題最為嚴重［7］。PCB中的電磁輻射包括電場輻射和磁場輻射，當PCB上走線的長度等于輻射電磁波1/4波長的奇數(shù)倍時，PCB中的金屬線條會起到天線的作用向外輻射高頻能量，同時也能接收外部的高頻干擾。電場輻射可以用偶極子天線的原理來解釋，其長度l與橫向尺寸均遠小于波長。圖1是在球坐標系下電偶極子輻射場示意圖。同樣磁場輻射可以用磁偶極子來解釋，圖2是在球坐標系下磁偶極子輻射場示意圖。

圖1 電偶極子輻射場示意圖

圖2 磁偶極子輻射場示意圖

1.2 微弱信號檢測電路PCB的電磁抗干擾設(shè)計

微弱信號檢測電路的電磁抗干擾設(shè)計需要使用很多低噪聲設(shè)計方法［8］，主要在布局、布線和接地等方面。對于微弱信號檢測電路，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鐘。微弱信號檢測電路的PCB應(yīng)按電流強度進行分區(qū)，大電流區(qū)域與小電流區(qū)域應(yīng)進行適當?shù)母綦x。PCB設(shè)計時盡量將干擾源遠離敏感器件(如DAC芯片)，DAC的參考電壓端盡量遠離數(shù)字信號線。I/O端口盡量靠近PCB板的邊緣放置。當與PCB板外的信號線相連時，需要使用屏蔽電纜，并對其有效接地。

微弱信號檢測電路的時鐘走線應(yīng)盡量短，且周圍應(yīng)用地線進行隔離。PCB中盡量避免直角折線，采用45°折線可降低高頻信號對外輻射。對于PCB中敏感信號線應(yīng)在其周圍加地線進行保護，PCB中的小信號走線應(yīng)避免靠近大電流信號線，并且避免與高速線路平行走線。PCB布線時盡量減小回路環(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)在微弱信號檢測電路的每個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高頻噪聲進行濾除。接電容的引線應(yīng)盡量短，以免因寄生電感引起諧振。微弱信號檢測電路的PCB如采用單面板或雙面板設(shè)計且電路中低頻電路為主時，應(yīng)采用并行單點接地，不應(yīng)采用串行單點接地方式。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 微弱信號檢測電路PCB的電磁場仿真

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中采用矩量法計算電流密度J，這樣就能通過電流密度求得S參數(shù)和輻射場［9］。

在Protel DXP中畫好PCB以后保存為DXF格式，在Ansoft Designer中導(dǎo)入此文件，然后進行PCB疊層設(shè)計，建立仿真模型。圖3為微弱信號采集模塊的PCB仿真模型圖。圖4為采用抗干擾設(shè)計措施調(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的電磁場仿真

建立仿真模型后，添加激勵源并設(shè)置掃描頻率，通過校驗檢查后即可進行仿真。本文主要考慮PCB上輻射場對微弱信號檢測電路的影響，電磁干擾源的諧波頻率在30 MHz以上時表現(xiàn)為輻射干擾，本文選取50 MHz和100 MHz兩個頻率點進行仿真。圖5～圖8為仿真得到的50 MHz和100 MHz兩個頻率點的電場和磁場近場分布圖。

從圖5～圖8的仿真結(jié)果可以直觀地看出PCB中場強較強區(qū)域的分布情況，可以看到隨著諧波頻率的增大，近場輻射強度也會增強，相應(yīng)地對微弱信號檢測電路及其周圍電子器件的電磁干擾也會更加嚴重。

2.3 調(diào)整走線后PCB的電磁場仿真

根據(jù)之前的仿真結(jié)果，按照電磁抗干擾設(shè)計方法對PCB中場強較強區(qū)域內(nèi)的走線進行調(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微弱信號檢測電路的影響，調(diào)整敏感信號的走線，避開這些場強較強的區(qū)域。圖4是采用抗干擾設(shè)計措施調(diào)整走線后的PCB仿真文件。圖9～圖12為調(diào)整后再次進行仿真得到的50 MHz和100 MHz兩個頻率點的電場、磁場近場分布圖。

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

圖5 50 MHz電場分布(調(diào)整前)

圖6 100 MHz電場分布(調(diào)整前)

圖7 50 MHz磁場分布(調(diào)整前)

圖8 100 MHz磁場分布(調(diào)整前)

圖9 50 MHz電場分布(調(diào)整后)

圖10 100 MHz電場分布(調(diào)整后)

圖11 50 MHz磁場分布(調(diào)整后)

圖12 100 MHz磁場分布(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的近場輻射范圍和數(shù)值均較大，產(chǎn)生的電磁干擾也較強。表1列出了調(diào)整走線前后的近場仿真數(shù)據(jù)。

表1 調(diào)整走線前后的近場數(shù)據(jù)

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

3 結(jié)束語

本文對PCB中電磁干擾源進行分析，并提出一些微弱信號檢測電路PCB的電磁抗干擾設(shè)計方法。在此基礎(chǔ)上，使用Ansoft Designer對微弱信號檢測電路PCB進行電磁場仿真分析。根據(jù)仿真得到的近場分布圖，對PCB的布局布線進行調(diào)整，通過調(diào)整降低了PCB的近場輻射，從而有效地減弱了電磁噪聲對微弱信號檢測電路的影響，提高了微弱信號檢測設(shè)備的性能。本文的不足之處在于只研究了PCB的布局布線對近場輻射的影響，仿真時如果添加更多的激勵源，會更逼近精確模型，得到的結(jié)果會更加準確，這將成為以后研究的重點。

［1］楊東澤.一種有效抑制輻射性電磁干擾的驅(qū)動電路設(shè)計［J］.微電子學(xué)，2011，41(5):676-680.

［2］郭虎崗，劉俊，馬喜宏.混合集成電路的電磁兼容設(shè)計［J］.微計算機信息，2008，24(1-2):308-309.

［3］安靜，武俊峰，吳一輝.孔縫對內(nèi)置電路板殼體屏蔽效能的影響［J］.微波學(xué)報，2011，27(2):34-37.

［4］石崢，杜平安.孔陣結(jié)構(gòu)近場屏蔽特性有限元數(shù)值仿真［J］.電子學(xué)報，2009，37(3):634-639.

［5］Liu Xiaoqun，Geng Qingbo，Huang Xiaosong.The EMC Analysis and Design of the PCB［C］//Second International Conference on Mechanic Automation and Control Engneering，2011:5383-5386.

［6］潘亞培，吳明贊，李竹.基于有限元法的高頻開關(guān)電源PCB電磁兼容設(shè)計與仿真［J］.電子器件，2012，35(4):417-420.

［7］潘宇倩，白東煒.電磁干擾的產(chǎn)生及PCB設(shè)計中的抑制方案［J］.航天器工程，2007，16(3):125-129.

［8］張洋，張記龍，杜宣燕.紅外光譜儀中圍繞信號檢測電路的低噪聲設(shè)計［J］.壓電與聲光，2011，33(4):674-678.

［9］胡平林，楊延彰，余韜，等.微機開關(guān)電源PCB的電磁兼容仿真分析及預(yù)測［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報，2005，33(6):58-60.