より良いPCB信号のための5つのシンプルなバンドパスフィルターのトリック

より良いRF PCB信号を求めるなら、信号の品質と信頼性を気にする必要があります。

• インピーダンス・マッチングが悪かったり、ノイズが多すぎたり、シールドが弱かったりすると、信号が跳ね返ってパワーを失うことがあります。
• 簡単なバンドパスフィルターのトリックを使うことで、周波数の働きを変え、不要なノイズを止めることができます。
• これらのトリックは、シンプルなRLC回路と入念な設計を使用しているため、ホビイストとエンジニアの両方に役立ちます。
  これらの手順を試してみてください。

キーポイント

コンデンサとインダクタを互いに近づけましょう。配線は短くしてください。そうすることで、問題が発生しなくなり、フィルターがうまく機能するようになります。

• 多くのグランド・ビアを持つ強固なグランド・プレーンを使用してください。これにより、ノイズを防ぎ、バンドパス・フィルター内の信号をクリーンに保つことができます。
• PCBトレースを短く とまっすぐです。これにより、信号ロスを防ぎ、RF信号を強くクリアに保ちます。
• 良いコンデンサを選びましょう および低損失のインダクタを使用してください。安定した信頼性の高いフィルタ動作のために、公差が厳しいことを確認してください。
• フィルターの周囲に適切なシールドを追加します。これにより、外部のノイズが遮断され、ノイズの多い場所でも信号がクリアになります。

コンポーネントの配置

寄生虫の最小化

PCB上でバンドパスフィルターを作成する場合、各フィルターを配置する場所は 部分 は非常に重要です。寄生効果が忍び込むと、フィルターの動作が変わってしまうことがあります。寄生容量はトレースとグランドプレーンの間に形成されることがあります。それは 約2pF.寄生インダクタンスも現れます。通常の導体サイズでは2nH程度です。これらの不要な効果は、フィルターの周波数を動かし、その働きを悪くします。

寄生率を低く抑えるために、簡単にできることがあります：

• コンデンサとインダクタを非常に近くに配置します。
• トレースを短く 余分なインダクタンスとキャパシタンスを下げるために。
• トレース同士を長く隣接させないでください。クロストークの原因になります。
• フィルター・トレースの下にはすべてグラウンド・プレーンを使用してください。
• ESLの低いコンデンサを選び、平面トレース・インダクタは使用しないでください。これらのコンデンサには、推測が困難な寄生があります。

ヒント より短いトレースとタイトなレイアウトは、バンドパス・フィルターがその形状を維持し、不要な信号をブロックするのに役立ちます。

信号ロスの低減

信号損失は、フィルターが適切な周波数を通さないようにします。長いトレースは抵抗とインダクタンスを増加させます。これは信号を弱くします。バイアスも寄生インダクタンスを増加させるので、どうしても必要な場合のみ使用してください。バンドパスフィルタを他のRF部品に接続する場合は、信号経路を短くシンプルにしてください。

信号ロスを減らすための簡単なチェックリストです：

• フィルターを信号源の近くに置いてください。
• できるだけ短く、まっすぐなトレースを使用してください。
• 寄生を抑えるため、部品はグランドプレーンの近くに置いてください。
• 感度の高いトレースを互いに直角に配線してください。これにより、磁気カップリングを防ぐことができます。

これらを実行すれば、あなたの バンドパスフィルター は正しい信号を通し、ノイズを遮断します。適切な配置は、フィルターが他のRF部品とうまく機能するのにも役立ちます。これにより、信号が強くクリアに保たれます。.

バンドパスフィルタ接地

再生

接地方法

バンドパス・フィルターがうまく機能するには、良好なアースが必要です。 強固な接地面の真上にRF部品を配置.この設定により、信号が分離され、入力インピーダンスが安定します。PCBを設計する際は、信号層をグランドプレーンの隣に配置してください。これは、インピーダンスを制御し、信号損失を低減するのに役立ちます。

トレースを短くすることで、不要な影響を防ぐことができます。信号トレースは、壊れていないグランドプレーンより上に保ってください。トレースがグラウンドの切れ目の上を横切らないようにしてください。両面PCBを使用する場合は、多くのビアでグランド層を接続してください。これにより、リターン電流に低インピーダンスの経路ができます。グランド・ビアはフィルター部品の近くに配置してください。これにより、リターン経路が短く保たれ、信号の反射がなくなります。

RFアナログ部品をデジタル部品から遠ざけてください。こうすることで、デジタルノイズがフィルターに到達するのを防ぎます。設計ツールを使ってレイアウトをチェックし、インピーダンスが制御されていることを確認してください。

ノイズの回避

良好な接地はノイズと干渉を阻止します。高周波では、信号トレースの下にリターン電流が流れます。グランドプレーンを壊してしまうと、ノイズや信号の損失が起こります。グランドプレーンは分割せず、しっかりとしてください。

以下は、アースの選択がノイズや干渉にどのように影響するかを示した表です：

問題	ノイズと干渉への影響	解決方法
高速設計における分割プレーン	信号損失、クロストーク、EMIの増加	高速トレースの下には強固なグランドプレーンを使用
不適切なビア配置	より多くのEMI、無駄な電力	多くのグラウンド・ビアを追加し、大きな銅製グラウンド・プレーンを使用
ミックスドシグナル干渉	アナログ信号のデジタルノイズ	アナログとデジタルのグランドプレーンを分離し、ADC/DACの下だけに接続

グランドプレーンはリターン電流に低インピーダンスの経路を与えます。ビアステッチはグランドレイヤーを接続し、ループインダクタンスを下げます。これらのステップにより、バンドパス・フィルターはノイズをブロックし、高周波でも信号をクリーンに保ちます。

短いPCBトレース

シグナル・インテグリティ

短い配線は、RF 信号を強くクリーンな状態に保つのに役立ちます。長い配線は抵抗とインダクタンスを増加させます。これは信号を弱くし、フィルターの周波数を変える可能性があります。PCBの材質も信号の損失を大きくします。チャンネル損失は表皮効果や誘電減衰などから生じます。信号をクリアに保つためには、設計の限界を知る必要があります。

この表を使用して、異なるデータレートに使用すべき最長トレースを確認することができます。これらの数値は、高周波プリント基板材料と業界の規則に基づいています：

データ・レート (Gb/s)	最大トレース長（メートル）	備考
10.3	1.0	10GBASE-KR、Megtron 6、7ミルトレース
25.8	1.25	25GBASE-KR、背面ドリル加工が必要
51.6	1.21	50GBASE-KR、バックドリル加工が必要

トレーススキューはクロック周期の 5% 以下にしてください。FR4 では、トレース長差は 44mm 以下にしてください。電気的な長さは物理的な長さよりも重要です。PCBの誘電率によって変わります。トレースが長すぎたり、マッチしていないと、位相歪みや信号の問題が発生します。

ヒント トレースが短いということは、信号損失が少なく、ノイズの問題が少ないということです。

ダイレクト・ルーティング

ダイレクト・ルーティングとは、信号経路をまっすぐで短く保つことです。これにより、クロストークや反射、不要なカップリングを防ぐことができます。鋭く 90 度に曲げないでください。反射を抑えるために45度の角度を使用してください。干渉を減らすために、重要なRF部品を基板端の近くに配置します。

以下のルーティングのコツをお試しください：

• RFトレース間のスペースは、トレース幅の少なくとも3倍にしてください。
• より良い絶縁のために、信号線間にグランドプールとステッチングビアを使用してください。
• 高周波信号と低周波信号を並列に配線しないでください。
• レイヤー上のトレースを互いに直角になるように配置します。
• インピーダンスの変化を避けるため、RFトレースにはできるだけ少ないビアを使用してください。

これらの手順は、バンドパス・フィルターがその形状を維持し、不要な信号をブロックするのに役立ちます。直接配線と短いトレースにより、強力で信頼性の高いRF信号が得られます。

高品質パッシブ・コンポーネント

コンデンサとインダクタ

適切なものを選ぶことが重要です。 コンデンサとインダクタ RF設計のために優れた部品は バンドパスフィルター よく働き、長持ちします。次のような点に注目してください：

• 低損失：優れたコンデンサーとインダクターは、エネルギーをあまり無駄にしません。そのため、信号が強く保たれます。
• 安定した値：公差の厳しい部品を選びましょう。その値は、あなたが望む値に近いままです。
• 低寄生：寄生効果はフィルターの動作を変化させます。RF用に作られた部品を使用することで、これらの影響を小さく抑えることができます。
• 優れたパワーハンドリング：部品が回路の電力を処理できることを確認してください。部品が熱くなりすぎてはいけません。
• 低温ドリフト：部品の中には、熱くなったり冷たくなったりすると値が変化するものがあります。温度係数の低い部品を選んで、フィルターを安定させましょう。

プリント基板の材質も重要です。安定した誘電率はフィルターの中心周波数を安定させます。誘電率の低い材料は、信号損失を下げ、フィルタをよりシャープにします。PCBが水分を多く吸収すると、湿度が誘電率を変化させ、性能を低下させます。PTFEベースのラミネートは誘電率が高く、低損失です。このため、小型で効率的なフィルターを作ることができます。

安定したパフォーマンス

フィルターは、いつも同じように機能させたいものです。パッシブパーツの品質が悪いと、フィルターの周波数がずれたり、キレが悪くなったりします。抵抗やコンデンサーの公差が大きいと、フィルターのカットオフ・ポイントが動くことがあります。温度変化や経年劣化によっても、部品が元の値からずれることがあります。

あなたの バンドパスフィルター 安定した

• 温度係数の低い公差の厳しい部品を使用してください。
• コンデンサの抵抗値の上昇など、経年劣化に注意してください。
• 小さな変更で性能が損なわれないよう、余裕を持った設計を。
• フィルターを頻繁にテストし、必要に応じて再調整してください。

ヒント 良い部品を選び、頻繁にテストすることで、フィルターの切れ味と信頼性を保つことができます。

フィルター遮蔽

簡易シールド

シールドを追加することで、PCBをより良く機能させることができます。シールドとは、不要な信号を遮断する壁のようなものです。バンドパスフィルターをシールドするには、さまざまな方法があります。A ファラデーケージ が強力な方法です。フィルターを金属製の箱や缶で覆います。この箱は、外部からのノイズの侵入を防ぎます。すべての継ぎ目や開口部がしっかりと閉じていることを確認してください。わずかな隙間でも高周波信号を通す可能性があります。

プリント基板を金属製の壁で分割することもできます。こうすることで、部品が互いに干渉するのを防ぎます。必要なシールド材を選んでください。銅はほとんどの作業に適しています。アルミは軽くてコストもかかりませんが、厚くする必要があります。洋白は濡れた場所に適しています。導電性エラストマーや布地は、隙間を塞ぎ、簡単に曲げることができます。

ヒント 後で問題が起きないように、早めに遮蔽の計画を立てましょう。

一般的なシールド材とその効果を表にまとめました：

素材	主な特性と用途	効果と注意事項
銅	高導電性、耐食性	EMI/RFIシールドに最適
アルミニウム	軽量、コストパフォーマンス	適度な保護力、厚みが必要
ニッケルシルバー	耐久性、耐食性	中周波からGHzに最適、はんだ付けが容易
スチール	低周波での強力な磁気シールド	効果は合金と加工に依存
ミューメタル	超高透磁率	低周波磁気シールドに最適
導電性エラストマー	柔軟性、シール性、振動減衰性	ガスケットやコネクターに最適
導電性ファブリック	軽量、柔軟	携帯機器やケーブルのシールドに使用

RFノイズの遮断

簡単な方法でRFノイズを止めることができます。フィルターの周囲に金属製の缶や壁を設置してください。信号の周波数に適した材質を選んでください。銅やアルミニウムは高周波に適しています。低周波の磁気ノイズにはミューメタルやスチールが有効です。

• 抵抗にならない経路でシールドをアースに接続してください。
• ループを止めるために、シールドのアースを1カ所使います。
• シールドとグランドプレーンの間にアースストラップを入れてください。
• 電流に抵抗するグランドプレーンは使用しないでください。
• 縫い目やケーブルの穴はごく小さくしてください。
• 隙間がある場合は、RFガスケットまたはメッシュを使用してください。

シールド、アース、優れたレイアウトを併用してください。これにより、電磁干渉をブロックする最良の方法が得られます。シールドしたPCBがうまく機能するかテストしてください。これらのことを行えば、バンドパス・フィルターはノイズを遮断し、信号をクリアに保ちます。

PCB信号のための簡単なチェックリストです：

• 寄生率を下げるため、部品を近くに配置。
• ノイズを防止するために、強力な接地と多くのビアを使用してください。
• トレースを短くし、信号を直線でつないでください。
• 安定した結果を得るために、良いコンデンサーとインダクターを選んでください。
• シールドを追加して、不要なRFノイズを遮断します。

これらのトリックを使えば、信号はより強く、ノイズはより少なくなります。下のチャートを見て、PCBがどのように機能するかを確認してください：

インピーダンスのミスマッチ、クロストーク、EMI などの問題があるかもしれません。慎重なレイアウトとテストは、これらの問題を解決するのに役立ちます。さらに詳しく知りたい場合は、KnowlesのブログやARRLハンドブックにヒントや実例が掲載されています。
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よくあるご質問

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