Redukcja EMI szybkich interfejsów cyfrowych

Rys. 1. Przykładowy wykres tłumienia EMI współczesnych układów RF montowanych powierzchniowo

Dzięki niewielkim rozmiarom układu elektronicznego i niskiej cenie szybkie interfejsy szeregowe znajdują zastosowanie w urządzeniach przenośnych, które muszą być małe, lekkie i energooszczędne. Problemy z zaburzeniami elektromagnetycznymi (EMI) pojawiają się w takich urządzeniach podczas komunikacji na odległość, gdyż prędkości transmisji współczesnych interfejsów HSS są zwykle większe niż częstotliwości, na których odbywa się lokalna komunikacja radiowa, a sygnały cyfrowe są źródłem wielu harmonicznych.

Dobry produkt do komunikacji bezprzewodowej wymaga sprawnej współpracy jego wszystkich składników, a niezamierzone sygnały radiowe nie mogą w nim interferować z sygnałami zamierzonymi. Ponadto jego obwody muszą być transparentne, tzn. zamierzone sygnały radiowe jednego obwodu nie mogą zaburzać pracy innych obwodów.

Komitety zajmujące się rozwojem interfejsów muszą zatem brać pod uwagę zarówno zaburzenia elektromagnetyczne emitowane przez interfejs, jak i te przez niego odbierane (zakłócenia), gdyż każdy interfejs zaburzający lub zakłócony nie umożliwi właściwego działania urządzeń, mimo że sam będzie sprawny. Szczególny nacisk na kwestię wzajemnej transparentności kładą specyfikacje dwóch interfejsów MIPI Alliance: M-PHY i RFFE. Na etapie projektowania można wyróżnić kilka technik redukcji EMI, które zostaną opisane w artykule.

Izolacja

Rys. 2. Wpływ przesunięcia czasowego i niezrównoważenia sygnału różnicowego na tłumienie EMI

Izolacja fizyczna jest prawdopodobnie techniką najbardziej oczywistą. Jeśli sygnał radiowy związany z emisją zaburzeń zostanie utrzymany w przestrzeni zamkniętej, to nie będzie w żaden sposób wpływał na inne obwody. Odizolowanie nigdy jednak nie będzie idealne, a w częstotliwościach komórkowych lub Wi-Fi można uzyskać tłumienie od 20 dB do 40 dB. Takie wartości zwykle wystarczą do rozwiązania problemów z EMI, dlatego niezbędne jest dokładne określenie tłumienia zapewnianego przez PCB i obudowy układów (rys. 1).

Amplituda sygnału

Obniżenie amplitudy sygnałów w obwodach interfejsu zmniejszy zaburzenia elektromagnetyczne, ale tylko nieznacznie, gdyż w przypadku obniżenia jej o połowę spadek EMI wyniesie zaledwie 6 dB. To może wystarczyć, jednak metoda ta zwiększa podatność odbiornika na błędy, dlatego należy stosować ją tylko w ostateczności.

Przesunięcie czasowe i zrównoważenie sygnału różnicowego

Rys. 3. Wpływ zmiany prędkości transmisji interfejsu na przesunięcie zera widmowego

Przesunięcie czasowe między składowymi sygnału różnicowego i zrównoważenie składowych tego sygnału to parametry, które zależą głównie od obwodu sterującego interfejsem i najlepiej jest analizować je razem. Jak widać z rysunku 2, jeśli wartości składowych nie różnią się od siebie o więcej niż 10%, to różnica ta nie ma większego znaczenia w porównaniu z wpływem, który na EMI wywiera przesunięcie czasowe.

Oznacza to, że z punktu widzenia emisji elektromagnetycznej znacznie ważniejsze podczas projektowania obwodów sterujących interfejsem jest zmniejszenie przesunięcia czasowego niż zapewnienie zrównoważonego sygnału. Przy przesunięciu czasowym 2% nawet różnica między składowymi sygnału różnicowego na poziomie 10% pozostaje bez wpływu na EMI. Zrównoważony sygnał ma znaczenie wyłącznie przy zerowym przesunięciu czasowym, czyli w sytuacji mało prawdopodobnej.

Prędkość transmisji

Rys. 4. Wpływ stromości zbocza na widma boczne sygnału różnicowego: a) przykładowe nachylenia zboczy, b) widma odpowiadające zboczom

Widmo radiowe sygnału cyfrowego ma różne właściwości, a najważniejszą z nich z punktu widzenia EMI jest występowanie zera widmowego w częstotliwości odpowiadającej prędkości transmisji i jej całkowitych wielokrotności. W celu redukcji zakłóceń w konkretnym paśmie bez konieczności filtrowania należy zbliżyć zera widmowe do zakresu odbiornika radiowego, zmieniając prędkość transmisji.

Na rysunku 3 pokazano, jak na położenie zer widmowych wpłynie zmiana prędkości transmisji z 1,248 Gbps (rys. 3a) na 1,456 Gbps (rys. 3b). Jest to technika szczególnie przydatna w odbiornikach GPS, które muszą pracować z bardzo małymi sygnałami pochodzącymi od wielu satelitów.

Szybkość narastania zboczy

Rys. 5. Wpływ zboczy o różnych kształtach na EMI

Wszystkie niezbędne informacje przesyłane przez interfejs znajdują się w widmie głównym. Widma boczne zawierają informacje o zmianach kierunku sygnału, a nie o samej treści. Zaburzenia EMI powodowane energią widm bocznych, znajdujących się powyżej częstotliwości odpowiadającej prędkości transmisji, mogą być tłumione przez zmniejszenie szybkości narastania zboczy przy każdej zmianie kierunku sygnału. Jest to skuteczne dlatego, że całkowite pasmo niezamierzonych sygnałów radiowych nie zależy od prędkości transmisji, lecz od najszybszej zmiany kierunku sygnału (nachylenia zbocza).

Należy zauważyć, że sterowanie szybkością narastania zboczy zmniejsza wysokość widm bocznych, a wpływ na widmo główne ma pomijalny (rys. 4). Z jednej strony jest to korzystne, gdyż nie wpływa na zawartość sygnału, jednak jeśli częstotliwość interferencyjna znajduje się w widmie głównym, to technika ta będzie nieskuteczna.

Z tego powodu niektóre interfejsy używają kilku pasm o mniejszej prędkości transmisji, zamiast jednego pasma pracującego z prędkością wyższą. Prostym sposobem implementacji sterowania prędkością narastania zboczy jest regulacja wartości prądu ładującego i rozładowującego kondensatory, a uzyskiwane w ten sposób zbocza mają kształt liniowy.

Kształtowanie przebiegu

Na wartość EMI można również wpłynąć przez zmianę kształtu zbocza. Na rysunku 5 pokazano, jak na interferencje wpływają zbocza liniowe, wykładnicze i sinusoidalne. Przy przebiegu wykładniczym będącym wynikiem zastosowania prostego filtru RC nastąpił wzrost EMI, którego przyczyną jest nagła pierwsza zmiana kierunku zbocza, mimo że zmiana druga jest łagodna. Po usunięciu wszystkich ostrych krawędzi przebiegu następuje znaczna poprawa, dlatego uzyskanie gładkiego kształtu zbocza powinno być głównym celem tej metody.

Kombinacje technik

Rys. 6. Redukcja EMI w wysokich częstotliwościach w interfejsie M-PHY (do porównania z rys. 4b)

Redukcję EMI zawsze zaczyna się od zapewnienia maksymalnej izolacji fizycznej. Ponadto w zależności od komitetu standaryzacyjnego danego interfejsu stosowane są różne techniki dodatkowe.

Na przykład interfejs M-PHY używa sygnałów różnicowych o małej amplitudzie. Ponieważ w przypadku tego szybkiego interfejsu szeregowego prędkości transmisji są wyższe niż wiele częstotliwości komórkowych i radiowych, do redukcji EMI na wejściu wewnętrznych (także monolitycznych) odbiorników radiowych stosuje się kombinację odpowiedniej prędkości transmisji, szybkości narastania zboczy i przesunięcia czasowego. Skutek zastosowania tych technik pokazano na rysunku 6.

Interfejs RFFE napotyka inne problemy, dlatego stosuje odmienne techniki minimalizacji EMI. Nawet mimo, że działa w bezpośrednim sąsiedztwie czułych wejść radiowych, RFFE wymaga sygnałów jednostronnych o dużej amplitudzie. Kombinacja technik zastosowana w tym przypadku to użycie najniższej możliwej prędkości transmisji w danej aplikacji i odpowiednie ukształtowanie przebiegu w celu umieszczenia EMI poniżej lokalnych częstotliwości radiowych. Ograniczenie prędkości transmisji powoduje utrzymanie większości energii w paśmie niskich częstotliwości (rys. 7a), a dodatkowe zastosowanie gładkiego przejścia na początku i końcu zbocza znacznie poprawia tłumienie EMI (rys. 7b).

Podsumowanie

Rys. 7. Redukcja EMI w wysokich częstotliwościach w interfejsie RFFE

Minimalizacja EMI jest kluczowa do osiągnięcia wzajemnej transparentności między interfejsami i komunikacją radiową w urządzeniach przenośnych. Największą rolę w tym procesie odgrywają komitety standaryzacyjne, takie jak np. MIPI Alliance, które określają założenia interfejsów.

Analiza interfejsów M-PHY i RFFE pokazuje, że istnieją zarówno bardzo skuteczne, jak i mniej skuteczne metody redukcji EMI. Najskuteczniejszymi są dobra izolacja fizyczna, minimalizacja przesunięcia czasowego między składowymi sygnału różnicowego oraz unikanie filtrowania RC skutkującego powstawaniem przebiegów o kształcie wykładniczym. Do minimalizacji EMI nadają się szczególnie techniki kształtowania przebiegu polegające na zmniejszeniu liczby jego ostrych krawędzi.

Jedną z technik, która nie wymaga filtrowania, jest dobór prędkości transmisji. Ponieważ EMI zawarte w przebiegu sygnału mają zera widmowe w częstotliwości odpowiadającej prędkości transmisji, umieszczenie tych zer w pobliżu danego pasma będzie również bardzo skuteczne. Techniką najmniej skuteczną w redukcji EMI jest obniżanie amplitudy sygnału interfejsu.

Grzegorz Michałowski