微弱信号检测电路PCB的电磁抗干扰仿真分析

黄年龙，吴明赞，李 竹

(南京理工大学自动化学院，南京210094)

随着现代电子技术的发展，处于同一工作环境的各种电子元器件的距离越来越近，电磁兼容的问题已日益成为人们关注的焦点［1］。电路中的电磁干扰现象也越来越突出，电路板的电磁兼容设计成为系统设计的关键［2］。通常电磁屏蔽可以有效地抑制外部的电磁干扰［3-4］，但对于微弱信号检测电路内部的电磁噪声，需采用PCB的电磁抗干扰设计来抑制［5-6］。本文从电磁抗干扰设计抑制电磁辐射噪声的角度对微弱信号检测电路的PCB进行电磁仿真，并对PCB的布局布线对近场分布的影响进行仿真研究。

1 PCB中电磁干扰源及其抑制措施

1.1 PCB中电磁干扰源分析

PCB中电磁干扰主要包括公共阻抗耦合和串扰、高频载流导线产生的辐射、印制线条对高频辐射的感应等，其中高频辐射问题最为严重［7］。PCB中的电磁辐射包括电场辐射和磁场辐射，当PCB上走线的长度等于辐射电磁波1/4波长的奇数倍时，PCB中的金属线条会起到天线的作用向外辐射高频能量，同时也能接收外部的高频干扰。电场辐射可以用偶极子天线的原理来解释，其长度l与横向尺寸均远小于波长。图1是在球坐标系下电偶极子辐射场示意图。同样磁场辐射可以用磁偶极子来解释，图2是在球坐标系下磁偶极子辐射场示意图。

图1 电偶极子辐射场示意图

图2 磁偶极子辐射场示意图

1.2 微弱信号检测电路PCB的电磁抗干扰设计

微弱信号检测电路的电磁抗干扰设计需要使用很多低噪声设计方法［8］，主要在布局、布线和接地等方面。对于微弱信号检测电路，能用低速芯片的情况下，尽量使用低速芯片，并且在满足系统要求的情况下使用低频率的时钟。微弱信号检测电路的PCB应按电流强度进行分区，大电流区域与小电流区域应进行适当的隔离。PCB设计时尽量将干扰源远离敏感器件(如DAC芯片)，DAC的参考电压端尽量远离数字信号线。I/O端口尽量靠近PCB板的边缘放置。当与PCB板外的信号线相连时，需要使用屏蔽电缆，并对其有效接地。

微弱信号检测电路的时钟走线应尽量短，且周围应用地线进行隔离。PCB中尽量避免直角折线，采用45°折线可降低高频信号对外辐射。对于PCB中敏感信号线应在其周围加地线进行保护，PCB中的小信号走线应避免靠近大电流信号线，并且避免与高速线路平行走线。PCB布线时尽量减小回路环的面积，以降低感应噪声。在石英晶振下方和敏感器件下方不要走线。

应在微弱信号检测电路的每个集成电路的电源和地引脚之间接去耦电容和高频旁路电容，以稳定集成电路的电源端电压并对高频噪声进行滤除。接电容的引线应尽量短，以免因寄生电感引起谐振。微弱信号检测电路的PCB如采用单面板或双面板设计且电路中低频电路为主时，应采用并行单点接地，不应采用串行单点接地方式。为了减小电路中公共阻抗耦合，地线和电源线应尽量粗。

2 微弱信号检测电路PCB的电磁场仿真

2.1 建立仿真模型

Ansoft Designer集成了基于物理原型的电磁仿真、建模以及电路和系统分析的无缝连接环境。为了获得S参数，软件采用混合电位积分方程(MPIE)的方法，在MPIE中采用矩量法计算电流密度J，这样就能通过电流密度求得S参数和辐射场［9］。

在Protel DXP中画好PCB以后保存为DXF格式，在Ansoft Designer中导入此文件，然后进行PCB叠层设计，建立仿真模型。图3为微弱信号采集模块的PCB仿真模型图。图4为采用抗干扰设计措施调整布局布线后的PCB仿真模型图。

图3 PCB仿真模型图

图4 调整走线后PCB仿真模型图

2.2 调整走线前PCB的电磁场仿真

建立仿真模型后，添加激励源并设置扫描频率，通过校验检查后即可进行仿真。本文主要考虑PCB上辐射场对微弱信号检测电路的影响，电磁干扰源的谐波频率在30 MHz以上时表现为辐射干扰，本文选取50 MHz和100 MHz两个频率点进行仿真。图5～图8为仿真得到的50 MHz和100 MHz两个频率点的电场和磁场近场分布图。

从图5～图8的仿真结果可以直观地看出PCB中场强较强区域的分布情况，可以看到随着谐波频率的增大，近场辐射强度也会增强，相应地对微弱信号检测电路及其周围电子器件的电磁干扰也会更加严重。

2.3 调整走线后PCB的电磁场仿真

根据之前的仿真结果，按照电磁抗干扰设计方法对PCB中场强较强区域内的走线进行调整，增大相邻走线之间距离，避免采用直角走线。为了尽量减小电磁辐射对微弱信号检测电路的影响，调整敏感信号的走线，避开这些场强较强的区域。图4是采用抗干扰设计措施调整走线后的PCB仿真文件。图9～图12为调整后再次进行仿真得到的50 MHz和100 MHz两个频率点的电场、磁场近场分布图。

图9～图12是PCB经过调整走线后的仿真结果，从图中可以看出经过调整走线后近场辐射较之前有明显减弱，且场强较强区域的辐射范围比以前有明显减小，从而证明经过走线调整后PCB的电磁兼容性得到明显改善。

图5 50 MHz电场分布(调整前)

图6 100 MHz电场分布(调整前)

图7 50 MHz磁场分布(调整前)

图8 100 MHz磁场分布(调整前)

图9 50 MHz电场分布(调整后)

图10 100 MHz电场分布(调整后)

图11 50 MHz磁场分布(调整后)

图12 100 MHz磁场分布(调整后)

2.4 调整走线前后仿真结果比较分析

根据走线调整前后的仿真结果可知，走线调整前PCB的近场辐射范围和数值均较大，产生的电磁干扰也较强。表1列出了调整走线前后的近场仿真数据。

表1 调整走线前后的近场数据

从表1中的数据可知，采用电磁抗干扰设计方法对PCB中场强较强区域内的走线进行调整后，近场辐射范围得到了减小。数据显示在50 MHz，电场辐射强度最大值降低了48%，磁场辐射强度最大值降低了38%;在100 MHz，电场辐射强度最大值降低了55%，磁场辐射强度最大值降低了54%。通过仿真结果可知采用电磁兼容的设计方法有效地降低了微弱信号检测电路PCB的近场辐射强度，从而减弱了对微弱信号检测电路的电磁干扰。

3 结束语

本文对PCB中电磁干扰源进行分析，并提出一些微弱信号检测电路PCB的电磁抗干扰设计方法。在此基础上，使用Ansoft Designer对微弱信号检测电路PCB进行电磁场仿真分析。根据仿真得到的近场分布图，对PCB的布局布线进行调整，通过调整降低了PCB的近场辐射，从而有效地减弱了电磁噪声对微弱信号检测电路的影响，提高了微弱信号检测设备的性能。本文的不足之处在于只研究了PCB的布局布线对近场辐射的影响，仿真时如果添加更多的激励源，会更逼近精确模型，得到的结果会更加准确，这将成为以后研究的重点。

［1］杨东泽.一种有效抑制辐射性电磁干扰的驱动电路设计［J］.微电子学，2011，41(5):676-680.

［2］郭虎岗，刘俊，马喜宏.混合集成电路的电磁兼容设计［J］.微计算机信息，2008，24(1-2):308-309.

［3］安静，武俊峰，吴一辉.孔缝对内置电路板壳体屏蔽效能的影响［J］.微波学报，2011，27(2):34-37.

［4］石峥，杜平安.孔阵结构近场屏蔽特性有限元数值仿真［J］.电子学报，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］潘亚培，吴明赞，李竹.基于有限元法的高频开关电源PCB电磁兼容设计与仿真［J］.电子器件，2012，35(4):417-420.

［7］潘宇倩，白东炜.电磁干扰的产生及PCB设计中的抑制方案［J］.航天器工程，2007，16(3):125-129.

［8］张洋，张记龙，杜宣燕.红外光谱仪中围绕信号检测电路的低噪声设计［J］.压电与声光，2011，33(4):674-678.

［9］胡平林，杨延彰，余韬，等.微机开关电源PCB的电磁兼容仿真分析及预测［J］.华中科技大学学报，2005，33(6):58-60.