Linee guida per la progettazione del PCB (Mini-FAQ sul layout del PCB). Layout PCB ed EMC per microcontrollori serie MB90

Definizioni:

Compatibilità elettromagnetica, EMC: la capacità, durante il funzionamento, di non dare un contributo eccessivo all'ambiente da parte delle radiazioni elettromagnetiche. Quando questa condizione è soddisfatta, tutti i componenti elettronici funzionano insieme correttamente.

Interferenza elettromagnetica, EMI: energia elettromagnetica irradiata da un dispositivo che può degradare le prestazioni di un altro dispositivo.

Immunità elettromagnetica, EMPU (immunità elettromagnetica, o suscettibilità, EMS): tolleranza (resistenza) agli effetti dell'energia elettromagnetica.

Progettazione EMC: 4 regole di base

Il problema delle regole: più ne hai, più è difficile seguirle tutte. La priorità della loro implementazione è diversa.

Supponiamo che, durante la creazione di un circuito stampato multistrato, sia necessario instradare un segnale ad alta frequenza da un componente analogico a uno digitale. Naturalmente, si vuole ridurre al minimo la probabilità di un problema di compatibilità elettromagnetica (EMC). Quando cerchi in Internet, trovi tre consigli che sembrano essere pertinenti alla tua situazione:

1. Riduci al minimo le lunghezze del bus del segnale RF
2. Separare i binari di alimentazione e di massa tra le parti analogiche e digitali del circuito
3. Non rompere i poligoni di terra con conduttori ad alta frequenza

La tua visione per i tre possibili layout è mostrata nella Figura 1.

Nel primo caso, gli allineamenti vengono instradati direttamente tra i due componenti e il poligono di terra rimane solido. Nel secondo caso, si forma uno spazio vuoto nel poligono e le tracce attraversano questo spazio. Nel terzo caso, gli allineamenti vengono disposti lungo lo spazio nel poligono.

In ciascuno di questi tre casi si verifica una violazione di una delle regole di cui sopra. Questi casi alternativi sono ugualmente validi perché soddisfano due delle tre regole? Sono tutti cattivi perché infrangono almeno una regola?

Queste sono le domande che i progettisti di PCB devono affrontare ogni giorno. Una strategia di cablaggio corretta o errata può portare a risultati in cui la scheda soddisferà tutti i requisiti EMC o avrà problemi di ricettività ai segnali esterni. In questo caso la scelta dovrebbe essere chiara, ma su questo torneremo più avanti.

I problemi vengono mitigati dando priorità alle raccomandazioni. Le linee guida di progettazione sono utili se sono ben comprese e se fanno parte di una strategia complessiva. Una volta che i progettisti hanno imparato a stabilire le priorità delle linee guida e hanno compreso come utilizzare tali linee guida, possono progettare abilmente buoni PCB.

Le seguenti sono quattro regole principali per EMC, basate sulle caratteristiche generali del prodotto elettronico. In molti casi, i progettisti di PCB infrangono deliberatamente una di queste regole nel tentativo di soddisfare quelle più importanti.

Regola 1: Riduci al minimo il percorso della corrente del segnale

Questa semplice regola compare in quasi tutti gli elenchi di raccomandazioni EMC, ma spesso viene ignorata o minimizzata a favore di altre raccomandazioni.

Spesso un progettista di PCB non pensa nemmeno a dove scorrono le correnti di segnale e preferisce pensare ai segnali in termini di tensione, ma dovrebbe pensare in termini di corrente.

Ci sono due assiomi che ogni progettista di PCB dovrebbe conoscere:

- le correnti di segnale ritornano sempre alla loro sorgente, ad es. il percorso corrente è un loop
- le correnti di segnale utilizzano sempre il percorso con l'impedenza più bassa

A frequenze di diversi megahertz e oltre, il percorso della corrente del segnale è relativamente facile da determinare perché il percorso con l'impedenza più bassa è generalmente il percorso con l'induttanza più bassa. Nella fig. 2 mostra due componenti su un circuito stampato. Un segnale a 50 MHz si propaga lungo un conduttore sopra il poligono dal componente A al componente B.



Sappiamo che un segnale della stessa grandezza deve propagarsi indietro dal componente B al componente A. Supponiamo che questa corrente (chiamiamola ritorno) fluisca dal pin del componente B, indicato GND, al pin del componente A, indicato anche GND .

Poiché l'integrità (continuità) del poligono è assicurata e i pin, designati come GND, di entrambi i componenti si trovano vicini l'uno all'altro, ciò porta alla conclusione che la corrente prenderà il percorso più breve tra loro (percorso 1). Tuttavia, questo non è corretto. Le correnti ad alta frequenza prendono il percorso di minor induttanza (o il percorso con l'area del circuito più piccola, il percorso della spira più piccola). La maggior parte della corrente di ritorno del segnale scorre attraverso il poligono in un percorso stretto appena sotto la traccia del segnale (percorso 2).

Se per qualsiasi motivo è stato creato un poligono con una tacca come mostrato nella Figura 3, la tacca 1 avrà scarso effetto sull'integrità del segnale e sulle emissioni. L'altra tacca 2 può portare a problemi significativi; è in conflitto con la raccomandazione 2. L'area ad anello aumenta notevolmente; le correnti inverse sono così intense da fluire lungo il confine di discontinuità.



Alle basse frequenze (generalmente kHz e inferiori), il percorso di minor impedenza tende ad essere il percorso con la frequenza di segnale più bassa. Per un circuito stampato con poligoni solidi di correnti di ritorno, la resistenza dei poligoni tende a dissipare la corrente in modo che la corrente che scorre tra due punti distanti possa diffondersi su un'area più ampia della scheda, come mostrato in Figura 4.



Su una scheda con segnali misti, componenti analogici e digitali a bassa frequenza, questo può essere un problema. La Figura 5 illustra come un'interruzione ben posizionata in una discarica può porre rimedio a questa situazione catturando le correnti di ritorno a bassa frequenza che fluiscono attraverso la discarica in un'area dedicata.



Regola 2: non esplodere il poligono di ritorno

È giusto. Ti abbiamo appena mostrato un eccellente esempio in una situazione in cui creare un circuito aperto nella corrente del segnale di ritorno era la soluzione giusta. Tuttavia, come tipici ingegneri EMC, ti consigliamo di non farlo mai. Come mai? Perché gran parte dello sviluppo di persone ben comprese che abbiamo incontrato è stato il risultato di inavvertitamente infrangere la Regola 1 e creare spazi vuoti nei poligoni di ritorno. Inoltre, il divario era spesso inefficace e inutile.

Si ritiene che la corrente di ritorno del segnale analogico debba essere sempre isolata dalla corrente di ritorno del segnale digitale. Questa idea è nata quando i circuiti analogici e digitali funzionavano a frequenze di kilohertz. Ad esempio, le schede utilizzate per la registrazione audio digitale hanno spesso avuto problemi di rumore a causa degli effetti delle correnti del segnale digitale a bassa frequenza al di sotto dell'area della scheda in cui si trovavano gli amplificatori analogici sensibili. Qualche tempo fa, i progettisti audio hanno cercato di evitare questo problema dividendo le correnti di ritorno per controllare i percorsi di ritorno e rimuovendo l'analogico dai circuiti digitali.

I nostri studenti sono invitati a risolvere un problema di progettazione che richiede la protezione di componenti analogici sensibili (di solito amplificatori audio o generatori ad aggancio di fase) dalla parte digitale del circuito dividendo il poligono di corrente del segnale di ritorno in modo tale che le correnti LF siano isolate e le correnti RF non formerebbero interferenze. Di solito non è ovvio come ciò possa essere fatto e molto spesso le discontinuità poligonali creano problemi più grandi di quanto risolvano.

Una situazione simile si verifica quando si instradano pneumatici per apparecchiature radio-elettroniche automobilistiche o aeronautiche. In tali apparecchiature, le correnti di ritorno del circuito digitale sono spesso isolate dall'alloggiamento comune al fine di proteggere i circuiti digitali dai danni causati da elevate correnti LF che possono fluire attraverso la struttura metallica del veicolo. Il filtraggio EMI e la protezione dai transitori in genere richiedono collegamenti a terra mentre il segnale deve essere trasmesso rispetto al bus di ritorno digitale.

Quando le correnti di rete dello chassis e di ritorno digitale condividono lo stesso bus, appaiono come un singolo poligono interrotto. Questo a volte crea confusione su quale massa debba essere collegato un particolare componente. In questa situazione, di solito è una buona idea cablare il bus chassis e il ritorno digitale su bus separati. Il poligono di ritorno digitale deve essere solido e coprire l'area sotto tutti i componenti digitali, tracce e connettori. La connessione allo chassis dovrebbe essere limitata all'area della scheda vicino ai connettori.

Indubbiamente, ci sono situazioni in cui è richiesta un'interruzione ben localizzata nell'intervallo della corrente di ritorno. Tuttavia, il metodo più affidabile è un poligono solido per tutte le correnti del segnale di ritorno. Nei casi in cui un segnale a bassa frequenza separato è suscettibile di interferenze (in grado di mescolarsi con altri segnali della scheda), viene utilizzata la traccia su un livello separato per restituire questa corrente alla sorgente. In generale, non utilizzare mai la divisione o il ritaglio nel poligono corrente del segnale di ritorno. Se sei ancora convinto che il ritaglio nel poligono sia necessario per risolvere il problema del disaccoppiamento a bassa frequenza, consulta un esperto. Non fare affidamento su consigli o applicazioni di progettazione e non cercare di implementare un circuito che ha funzionato per qualcun altro in un progetto simile.

Ora che abbiamo familiarità con le due regole principali per EMC, siamo pronti per riesaminare il problema in Fig. 1. Quale alternativa è la migliore? Il primo è l'unico che non contraddice le regole. Se, per qualche motivo (al di fuori del desiderio progettuale), fosse necessaria un'interruzione nella discarica di terra, la terza opzione di layout è più accettabile. Tracciare lungo l'interruzione riduce al minimo l'area dell'anello di corrente del segnale.

Regola 3. Non posizionare circuiti ad alta velocità tra i connettori

Questo è uno dei modelli di schede più comuni che abbiamo esaminato e valutato nel nostro laboratorio. Nelle schede semplici, che avrebbero dovuto fallire in tutti i requisiti EMC senza costi e sforzi aggiuntivi, una buona schermatura e filtraggio è stata negata perché questa semplice regola è stata violata.

Perché il posizionamento del connettore è così importante? A frequenze inferiori a poche centinaia di megahertz, la lunghezza d'onda è dell'ordine di un metro o più. I conduttori sulla scheda - eventuali antenne - hanno una lunghezza elettrica relativamente corta e quindi non funzionano in modo efficiente. Tuttavia, cavi o altri dispositivi collegati alla scheda possono essere antenne abbastanza efficaci.

Le correnti di segnale che fluiscono attraverso i conduttori e che ritornano attraverso poligoni solidi creano piccole cadute di tensione tra due punti qualsiasi del poligono. Queste tensioni sono proporzionali alla corrente che scorre attraverso il poligono. Quando tutti i connettori si trovano su un bordo della scheda, la caduta di tensione è trascurabile.

Tuttavia, gli elementi del circuito ad alta velocità posizionati tra i connettori possono facilmente creare differenze di potenziale tra i connettori fino a diversi millivolt o più. Queste tensioni possono indurre correnti di campo sui cavi collegati, aumentandone la radiazione.

Una scheda che soddisfa tutte le specifiche con connettori su un lato può diventare l'incubo di un tecnico EMC se almeno un connettore con un cavo si trova sul lato opposto della scheda. I prodotti che presentano questo tipo di problema (cavi che trasportano tensioni indotte attraverso un poligono integrale) sono particolarmente difficili da riparare. Ciò richiede spesso una schermatura sufficientemente buona. In molti casi, questa schermatura non sarebbe affatto necessaria se i connettori fossero posizionati su un lato o nell'angolo della scheda.

Regola 4. Tempo di transizione del segnale di controllo

Una scheda funzionante a 100 MHz non dovrebbe mai essere conforme quando opera a 2 GHz. Un segnale digitale ben formato avrà più potenza alle armoniche più basse e non molta potenza alle armoniche più alte. Controllando il tempo transitorio del segnale, è possibile controllare l'intensità del segnale alle armoniche più alte, che è preferibile per EMC. Tempi transitori eccessivi possono portare a problemi di integrità del segnale e termici. Nel processo di sviluppo e progettazione, deve essere raggiunto un compromesso tra questi prerequisiti concorrenti. Un tempo transitorio di circa il 20% del periodo del segnale si traduce in una forma d'onda accettabile, riducendo i problemi di diafonia e radiazioni. A seconda dell'applicazione, il tempo transitorio può essere maggiore o minore del 20% del periodo del segnale; tuttavia, questa volta non dovrebbe essere fuori controllo.

Esistono tre modi principali per modificare i bordi dei segnali digitali:
- utilizzo di microcircuiti digitali della serie, la cui velocità coincide con la velocità richiesta,
- posizionare un resistore o un induttore sulla ferrite in serie con il segnale di uscita, e
- mettendo un condensatore in parallelo con il segnale di uscita

Il primo metodo è spesso il più semplice ed efficace. L'uso di un resistore o di una ferrite offre al progettista un maggiore controllo sui transitori e un minore impatto sui cambiamenti che si verificano nelle famiglie logiche nel tempo. Il vantaggio di utilizzare un condensatore per il controllo è che può essere facilmente rimosso se non necessario. Tuttavia, va ricordato che i condensatori aumentano la corrente della sorgente del segnale RF.

Si noti che è sempre una cattiva idea provare a filtrare un segnale a filo singolo nel percorso della corrente di ritorno. Ad esempio, non instradare mai una traccia a bassa frequenza attraverso un'interruzione nel poligono di ritorno nel tentativo di filtrare il rumore ad alta frequenza. Dopo aver esaminato le prime due regole, dovrebbe essere ovvio. Tuttavia, a volte nel nostro laboratorio si trovano schede che utilizzano questa strategia errata.

In generale, durante la progettazione e il layout della scheda, è necessario stabilire delle priorità per conformarsi alle regole EMC. Queste regole non devono essere compromesse quando si cerca di seguire altre linee guida EMC. Tuttavia, ci sono molte altre raccomandazioni degne di nota. Ad esempio, è importante fornire un'adeguata separazione del bus di alimentazione, mantenere corti i cavi di I/O e filtrare i segnali di uscita.

È anche una buona idea scegliere con attenzione i dispositivi attivi. Non tutti i componenti a semiconduttore compatibili con i pin sono equivalenti in termini di rumore. Due dispositivi con gli stessi parametri tecnici, ma realizzati da produttori diversi, possono differire in modo significativo nel rumore che creano ai pin di input e output, nonché ai pin di alimentazione. Ciò è particolarmente vero per i microcircuiti altamente integrati come i microprocessori e i grandi circuiti integrati specializzati (ASIC). È una buona idea valutare i componenti di fornitori diversi quando possibile.

Infine, rivedi il tuo design. Anche se sei un esperto pianificatore di PCB ed esperto di EMC, è bene avere qualcuno che conosca l'analisi EMC e abbia familiarità con la progettazione di PCB. Chiedigli di rivedere criticamente il tuo progetto.

Di chi puoi fidarti dei consigli? Fidati di chiunque i cui consigli ti aiutino chiaramente a soddisfare le quattro regole principali. Un po' di attenzione in più durante la progettazione può far risparmiare molto tempo, denaro e fatica che sarebbero stati sprecati cercando di far funzionare correttamente un prodotto resistente.

Traduzione dell'articolo:
Dott. Todd Hubing, dott. Tom van doren
Progettare per EMC: le 4 LINEE GUIDA PRINCIPALI
Progettazione e produzione di circuiti stampati, giugno 2003

Dott. Todd Hubing, Illustre Professore di Ingegneria Elettrica e Informatica, ha ricevuto due volte il premio “Migliori Pubblicazioni del Simposio” del Simposio Internazionale dell'Istituto degli Ingegneri Elettrici ed Elettronici.

Dott. Tom Van Doren, professore di ingegneria elettrica e informatica presso il Laboratorio di compatibilità elettromagnetica, Università del Missouri-Roll.

I margini dell'elettronica di consumo sono bassi e i produttori stanno cercando di mantenere bassi i prezzi dei prodotti per rimanere competitivi. Per questo motivo, richiedono agli sviluppatori di utilizzare circuiti stampati (PCB) e componenti economici mantenendo la funzionalità desiderata dei dispositivi. I produttori ritengono che garantire la compatibilità elettromagnetica (EMC) nella progettazione dei PCB e l'utilizzo di componenti ad alta EMC sia un lusso che non possono permettersi.

Molti credono che i problemi EMC possano essere risolti alla fine del ciclo di sviluppo con componenti aggiuntivi di soppressione EMI. Non è sempre ovvio che il costo di tali correzioni nelle fasi finali dello sviluppo sarà molte volte superiore al costo di garantire la compatibilità elettromagnetica nelle fasi iniziali di progettazione durante la creazione di un PCB. Pertanto, il desiderio di ridurre il costo di materiali e componenti porterà effettivamente a un aumento significativo del costo del prodotto.

Per progettare un PCB con basso rumore e minima sensibilità alle interferenze, è necessario, in primo luogo, organizzare correttamente il circuito di terra e, in secondo luogo, assemblare correttamente il PCB. Per qualsiasi sensore, è desiderabile avere un'impedenza di terra minima per garantire un flusso efficiente di correnti in caso di interferenza. D'altra parte, un layout corretto è un prerequisito per la creazione di un buon PCB. Il corretto instradamento non solo riduce l'impedenza dei conduttori, ma evita anche l'accoppiamento dell'impedenza comune.

PCB ad alta frequenza: circuiti digitali e rumori

I circuiti integrati digitali (CI) contenenti porte logiche sono una fonte di rumore impulsivo a causa di ritardi nello spegnimento dei transistor. Ogni volta che la porta logica cambia stato, un breve impulso di corrente passante scorre attraverso i transistor complementari dello stadio di uscita. L'induttanza dei percorsi di terra impedisce alla corrente di fluttuare bruscamente, provocando un picco di tensione.

Per ridurre gli effetti di tali interferenze, tutti i circuiti digitali devono avere un'impedenza di terra minima. Inoltre, è necessario installare un componente di disaccoppiamento vicino a ciascun circuito integrato logico per garantire che il percorso della corrente di picco non si propaghi all'alimentatore Vcc.

L'impedenza di terra può essere ridotta in diversi modi: abbassando l'induttanza della pista conduttiva, riducendo l'area degli anelli di corrente e riducendo la lunghezza delle piste attraverso le quali scorre la corrente. Questo può essere fatto in parte disaccoppiando i componenti situati vicino a ciascun chip logico.

Riduzione dell'induttanza dei conduttori di terra

L'induttanza di un conduttore è direttamente proporzionale alla sua lunghezza. Pertanto, è necessario ridurre la lunghezza dei binari lungo i quali scorrono le correnti impulsive. Un'ulteriore riduzione dell'induttanza è possibile aumentando la larghezza delle piste di alimentazione. Sfortunatamente, l'induttanza è inversamente proporzionale alla larghezza della carreggiata e questo approccio non è molto efficace. Di conseguenza, la lunghezza della traccia è il fattore più importante per garantire l'induttanza minima.

Se trascuriamo l'induttanza reciproca, l'induttanza equivalente di due tracce parallele identiche sarà due volte inferiore. Nel caso di quattro piste parallele, l'induttanza equivalente sarà quattro volte inferiore. Tuttavia, c'è un limite a questo approccio. Il fatto è che se le tracce sono vicine l'una all'altra, l'induttanza reciproca si avvicina alla propria induttanza e l'induttanza equivalente non diminuisce. Tuttavia, se le piste sono distanziate del doppio della loro larghezza, è possibile ottenere una riduzione dell'induttanza del 25%.

Pertanto, nel circuito ad alta frequenza, dovrebbero essere previsti il ​​maggior numero possibile di percorsi paralleli alternativi per le correnti di terra. Se il numero di conduttori viene aumentato all'infinito, alla fine arriveremo a uno strato di terra solida. L'uso di un piano di massa separato nelle schede multistrato consente di risolvere un numero enorme di problemi contemporaneamente.

Se stiamo parlando di una scheda a due strati, è possibile ottenere un risultato accettabile realizzando la terra sotto forma di una griglia (Fig. 1). In questo caso, l'opzione migliore sarebbe quando la pista di terra scorre sotto ciascun microcircuito per tutta la sua lunghezza. È consentito utilizzare una spaziatura verticale della griglia pari alla lunghezza dell'IC. I binari verticali e orizzontali possono trovarsi su lati opposti della scheda, ma devono essere collegati in punti di maglia tramite vie.

Riso. 1. La terra è fatta sotto forma di griglia

Si è scoperto che se in un circuito stampato a doppia faccia convenzionale con 15 microcircuiti, il terreno viene realizzato sotto forma di griglia, il rumore di fondo viene ridotto di dieci volte. Pertanto, tutti i PCB a doppio strato con circuiti integrati digitali devono utilizzare questa soluzione.

Ridurre l'area dei loop di corrente

Un altro metodo per ridurre l'induttanza è ridurre l'area dei percorsi correnti. Un circuito stampato con un ampio circuito aperto (Figura 2a) è un efficace generatore di rumore. Inoltre, il circuito stesso sarà anche sensibile ai campi magnetici esterni.

Si consideri un circuito di alimentazione con due binari paralleli identici - il binario di alimentazione Vcc e il binario GND - in cui le correnti fluiscono in direzioni opposte. La loro induttanza totale (Lt) è calcolata con la formula 1:

Lt = 2 (L - M) (1)

dove L è l'induttanza di ciascuna traccia e M è l'induttanza reciproca.

Posizionando il Vcc e le piste di terra vicine, l'induttanza reciproca sarà massimizzata e l'induttanza effettiva sarà quasi dimezzata. Idealmente, su un PCB, la pista Vcc dovrebbe essere parallela alla pista di terra. Ciò riduce l'area dell'anello di corrente e aiuta a risolvere i problemi associati alla generazione di rumore e alla suscettibilità alle interferenze.

Nella fig. 2a mostra un layout PCB non riuscito e la fig. 2b mostra una versione migliorata. In esso, riducendo l'area del circuito, è stato possibile accorciare la lunghezza del binario e aumentare l'induttanza reciproca, il che ha permesso di ottenere una diminuzione delle emissioni e della suscettibilità alle interferenze.

Condensatori di disaccoppiamento

Nella fig. 3a, i percorsi Vcc e terra sono ravvicinati. Tuttavia, il percorso della corrente impulsiva, che inizia e termina all'alimentatore, forma un ampio anello (area verde in figura) che può generare interferenze elettromagnetiche. Se un condensatore ceramico di disaccoppiamento Cc è posto accanto a ciascun IC, collegato tra Vcc e massa, funge da elemento buffer per fornire alimentazione all'IC durante il tempo di commutazione, riducendo così il flusso di corrente.

Riso. 3. Condensatore di disaccoppiamento

Idealmente, il condensatore di disaccoppiamento dovrebbe avere una capacità di circa 1 nF. Dovrebbero essere utilizzati condensatori ceramici in quanto sono in grado di fornire una carica a una velocità molto elevata. L'elevata corrente di scarica e la bassa autoinduttanza li rendono ideali per il disaccoppiamento di potenza.

Accoppiamento di impedenza nei circuiti stampati

Nella fig. 4 mostra un esempio di accoppiamento di impedenza utilizzando linee di alimentazione e terra comuni. In questo circuito, l'amplificatore analogico divide i binari di alimentazione e di massa con una porta logica. Le impedenze di traccia sono mostrate come elementi concentrati (Zg e Zs). A frequenze più alte, le impedenze dei binari aumentano in modo molteplice. Ciò non è dovuto solo ad un aumento della componente induttiva, ma anche ad un aumento della resistenza per effetto pelle.

Riso. 4. Accoppiamento di impedenza generale

Come abbiamo visto in precedenza, si verifica un'impennata ogni volta che viene commutata una porta logica. La parte dell'impedenza di terra (Zg3) è comune sia all'amplificatore che alla porta logica, quindi l'amplificatore vedrà questo impulso di tensione come rumore sul circuito di alimentazione. Questo rumore può essere trasferito al circuito dell'amplificatore direttamente attraverso l'ingresso di alimentazione o attraverso l'impedenza comune Zg3. Di conseguenza, il rumore apparirà direttamente all'ingresso dell'amplificatore. Per ridurre l'accoppiamento dell'impedenza totale, ridurre l'impedenza totale o eliminarla completamente.

Eliminazione dell'impedenza comune

L'impedenza comune può essere eliminata utilizzando un alimentatore collegato a stella da circuiti diversi, come mostrato nella Figura 5. Per fare ciò, i circuiti devono essere raggruppati in base al loro rumore di fondo e alla loro suscettibilità alle interferenze. I bus comuni possono essere utilizzati all'interno di ciascun gruppo, ma le linee di alimentazione dei singoli gruppi sono collegate in un punto. Tale connessione è chiamata ibrida. Il secondo approccio consiste nell'utilizzare alimentatori separati per ciascun gruppo di circuiti, il che migliora ulteriormente l'isolamento tra i circuiti.

Riso. 5. Connessione in un punto

In questa sezione vedremo come evitare la distorsione del segnale digitale associato alla sua trasmissione lungo il conduttore sul circuito stampato. Nonostante il fatto che questo sia principalmente un compito per l'ingegnere del circuito, il progettista del circuito stampato è spesso anche colpevole di problemi con la trasmissione del segnale attraverso la scheda, così come il rumore e la diafonia che si verificano sulla scheda.

Perché il segnale è distorto durante la trasmissione?
Prima di tutto, la distorsione è inerente ai segnali ad alta frequenza con una frequenza di 1 GHz o più. Ciò è dovuto agli effetti di risonanze e riflessioni sui singoli segmenti di conduttori, via, rami sulla scheda, nonché sugli ingressi dei ricevitori. Tuttavia, il problema è che i segnali con una frequenza fino a 500 MHz, tipici dei circuiti digitali standard, come vedremo di seguito, possono spesso essere notevolmente distorti, il che significa che possono essere attribuiti anche a quelli ad alta frequenza.

Qual è l'idea alla base della trasmissione senza distorsioni?
Il principio della trasmissione del segnale senza distorsione è che il conduttore è progettato come una linea di trasmissione (o "linea lunga") con una determinata impedenza caratteristica (caratteristica), ad es. impedenza Z 0, la stessa in tutto dalla sorgente al ricevitore del segnale, che garantisce l'uniformità della linea. Il secondo requisito è la coerenza della linea con la sorgente e il ricevitore del segnale. A differenza di un conduttore convenzionale, tale linea di trasmissione non provoca risonanze, distorsioni o riflessioni nella trasmissione del segnale, non importa quanto sia lunga. Le linee di trasmissione possono essere facilmente implementate su un circuito stampato utilizzando materiali con parametri noti e garantendo le dimensioni richieste degli elementi del motivo stampato. Si distingue tra terminazione di linea seriale e parallela; in questo caso è necessario utilizzare determinate resistenze di terminazione all'uscita della sorgente e/o all'ingresso del ricevitore di segnale. Le linee di trasmissione formate sulla scheda possono naturalmente essere estese all'esterno della scheda utilizzando connettori e cavi con impedenza caratteristica controllata Z 0.

Per quali segnali la distorsione diventa significativa?
Confrontando la lunghezza del conduttore sulla scheda con la lunghezza d'onda che possiede la componente a più alta frequenza del segnale trasmesso (quando si propaga, ad esempio, nel materiale FR4), è possibile determinare la cosiddetta lunghezza elettrica del conduttore . La lunghezza elettrica può essere espressa in frazioni della lunghezza d'onda minima o in frazioni del suo valore inverso - la durata del fronte. Se un conduttore ha una lunghezza elettrica troppo lunga, progettare quel conduttore come una linea di trasmissione per evitare un'eccessiva distorsione del segnale. Si noti che durante la trasmissione di segnali ad alta frequenza, le linee di trasmissione dovrebbero essere utilizzate non solo per ridurre la distorsione, ma anche per ridurre il livello di radiazione elettromagnetica (EMP).

Metà della regola anteriore
Una regola empirica approssimativa è che un conduttore è "elettricamente lungo" (ciò che chiama l'ingegneria elettrica "linea lunga") se il tempo di percorrenza del fronte di salita del segnale dalla sorgente al ricevitore più lontano supera la metà della durata del fronte di salita del segnale. È in questo caso che le riflessioni di linea possono distorcere in modo significativo il fronte del segnale. Supponiamo che il dispositivo contenga microcircuiti con un tempo di salita di 2 ns (ad esempio, secondo la documentazione per la serie FastTTL). La costante dielettrica del materiale PCB (FR4) alle alte frequenze è vicina a 4.0, che dà una velocità frontale di circa il 50% della velocità della luce, ovvero 1,5.10 8 m / s. Ciò corrisponde a un tempo di propagazione frontale di 6,7 ps/mm. Con una tale velocità, l'anteriore percorrerà circa 300 mm in 2 ns. Da ciò possiamo concludere che per tali segnali si dovrebbero usare "linee di trasmissione" solo se la lunghezza del conduttore supera la metà della distanza data, cioè 150 mm.

Sfortunatamente, questa non è la risposta corretta. La regola del mezzo aumento è eccessivamente semplicistica e può essere problematica se non presa in considerazione.

Problemi di approccio semplificato
I dati sul tempo di salita, forniti nella documentazione per i microcircuiti, riflettono il valore massimo e spesso il tempo di commutazione reale è molto inferiore (diciamo, può essere 3-4 volte inferiore al "massimo", e difficilmente può essere garantito che non varierà da lotto a lotto di microcircuiti). Inoltre, l'inevitabile componente capacitiva del carico (dai circuiti integrati collegati alla linea) riduce la velocità di propagazione del segnale rispetto alla velocità calcolata ottenibile su PCB vuoto. Pertanto, per ottenere un'adeguata integrità del segnale trasmesso, le linee di trasmissione dovrebbero essere utilizzate per conduttori molto più corti di quanto suggerisca la regola precedentemente descritta. Si può dimostrare che per segnali con tempo di salita (secondo la documentazione) di 2 ns, è consigliabile utilizzare linee di trasmissione già per conduttori la cui lunghezza supera solo i 30 mm (e talvolta anche meno)! Ciò è particolarmente vero per i segnali che svolgono la funzione di sincronizzazione o gating. Sono questi segnali che sono caratterizzati da problemi associati a "falsi positivi", "ricalcolo", "correzione di dati errati" e altri.

Come progettare le linee di trasmissione?
Esistono molte pubblicazioni dedicate a quali tipi di linee di trasmissione possono essere, come progettarle su un circuito stampato, come verificarne i parametri. In particolare, la norma IEC 1188-1-2: 1988 fornisce raccomandazioni dettagliate al riguardo. Sono inoltre disponibili molti prodotti software per aiutarvi a scegliere il design della linea di trasmissione e la struttura del circuito stampato. La maggior parte dei moderni sistemi di progettazione PCB è dotata di un software integrato che consente al progettista di progettare le linee di trasmissione in base ai parametri specificati. Gli esempi includono programmi come AppCAD, CITS25, TXLine. Le funzionalità più complete sono fornite dai prodotti software Polar Instruments.

Esempi di linee di trasmissione
Come esempi, considera i tipi più semplici di linee di trasmissione.

Come progettare al meglio una linea di trasmissione?
I segnali a velocità più elevata (o più critici) dovrebbero trovarsi negli strati adiacenti al piano di massa (GND), preferibilmente uno che è accoppiato con il piano di alimentazione per il disaccoppiamento. Segnali meno critici possono essere indirizzati ai piani pasto se questi piani sono adeguatamente disaccoppiati e non molto rumorosi. Ciascuno di questi piani di alimentazione deve essere associato al microcircuito con cui o al quale viene fornito questo segnale. La migliore immunità al rumore ed EMC è fornita da linee stripline tra due piani GND, ciascuno abbinato a un diverso piano di alimentazione per il disaccoppiamento.
La linea di trasmissione non deve presentare buchi, rotture o spaccature in nessuno dei piani di riferimento rispetto ai quali è tracciata, poiché ciò porta a variazioni significative di Z 0. Inoltre, la strip line dovrebbe essere il più lontana possibile da eventuali interruzioni del piano o dal bordo del piano di riferimento e tale distanza non dovrebbe essere inferiore a dieci volte la larghezza del conduttore. Le linee di trasmissione adiacenti devono essere separate da almeno tre larghezze di conduttore per eliminare la diafonia. I segnali altamente critici o "aggressivi" (come la comunicazione con un'antenna radio) possono trarre vantaggio dall'EMC utilizzando una linea simmetrica con due file di vie ravvicinate che la bloccano dagli altri conduttori e creano una struttura coassiale nel PCB. Tuttavia, per tali strutture, il calcolo di Z 0 viene eseguito utilizzando formule diverse.

Come ridurre il costo di un progetto?
I tipi di linee di trasmissione sopra descritti richiedono quasi sempre l'uso di un circuito multistrato, pertanto potrebbero non essere applicabili per la creazione di prodotti di massa della categoria di prezzo inferiore (sebbene per grandi volumi, i PCB a 4 strati siano solo del 20-30% più costosi di quelli a doppia faccia). Tuttavia, per progetti a basso costo, vengono utilizzati anche tipi di linea come bilanciati (uniformi) o complanari, che possono essere progettati su una scheda a strato singolo. Va tenuto presente che i tipi di linee di trasmissione a strato singolo occupano molte volte più area sulla scheda rispetto alle linee a microstriscia e striscia. Inoltre, risparmiare sui costi del PCB significa pagare di più per schermatura aggiuntiva e filtraggio del rumore. Esiste una regola generale secondo cui la risoluzione dei problemi EMC a livello di confezione del prodotto costa da 10 a 100 volte di più rispetto alla risoluzione dello stesso problema a livello di PCB.
Pertanto, mentre riduci il budget di sviluppo riducendo il numero di strati PCB, preparati a spendere ulteriore tempo e denaro ordinando più iterazioni di campioni PCB per garantire il livello richiesto di integrità del segnale ed EMC.

Come mitigare l'effetto negativo del cambio di livello?
Secondo le tipiche regole di cablaggio, c'è almeno un condensatore di disaccoppiamento vicino a ciascun microcircuito, in modo da poter cambiare lo strato vicino al microcircuito. Tuttavia, dovrebbe essere considerata la lunghezza totale dei segmenti che non si trovano nello strato "striscia". Una regola empirica approssimativa è che la lunghezza elettrica totale di questi segmenti non deve superare un ottavo del tempo di salita. Se un cambiamento troppo grande in Z 0 può verificarsi su uno di questi segmenti (ad esempio, quando si utilizzano prese ZIF o altri tipi di prese per microcircuiti), è meglio cercare di ridurre al minimo questa lunghezza a un decimo del tempo anteriore. Utilizzare la regola di cui sopra per determinare la lunghezza totale massima consentita dei segmenti non standardizzati e cercare di ridurla il più possibile entro questi limiti.
Sulla base di ciò, per i segnali con un tempo di salita (secondo la documentazione) di 2 ns, dobbiamo cambiare lo strato a non più di 10 mm dal centro del microcircuito o dal centro del resistore di adattamento. Questa regola è stata sviluppata tenendo conto di un margine di 4 volte per il fatto che il tempo di commutazione reale può essere significativamente inferiore al massimo secondo la documentazione. All'incirca alla stessa distanza (non di più) dalla posizione del cambio di livello, dovrebbe esserci almeno un condensatore di disaccoppiamento che collega i corrispondenti piani di terra e alimentazione. Tali piccole distanze sono difficili da raggiungere con circuiti integrati di grandi dimensioni, quindi ci sono alcuni compromessi nel cablaggio dei moderni circuiti ad alta velocità. Tuttavia, questa regola giustifica il fatto che i microcircuiti di piccole dimensioni sono preferiti nei circuiti ad alta velocità e spiega il fatto del rapido sviluppo delle tecnologie BGA e flip-chip, che riducono al minimo il percorso del segnale dal conduttore sulla scheda al microcircuito patata fritta.

Modellazione e test di prototipi
A causa delle numerose opzioni per i microcircuiti e ancora più opzioni per il loro utilizzo, alcuni ingegneri potrebbero trovare queste regole pratiche non abbastanza accurate e altri le considereranno esagerate, ma questo è il ruolo delle "regole pratiche" - è solo un approssimazione approssimativa che consente una progettazione intuitiva dei dispositivi correttamente funzionanti.
Ora i mezzi di modellazione al computer stanno diventando sempre più accessibili e avanzati. Consentono il calcolo dell'integrità del segnale, dei parametri EMC, a seconda dell'effettiva struttura del livello e dell'instradamento del segnale. Naturalmente, la loro applicazione fornirà risultati più accurati rispetto all'utilizzo delle nostre approssimazioni approssimative, quindi consigliamo di utilizzare le simulazioni al computer nel modo più completo possibile. Tuttavia, non dimenticare che i tempi di commutazione effettivi dei microcircuiti possono essere significativamente più brevi di quelli indicati nella documentazione e ciò può portare a risultati errati, quindi assicurati che il modello degli stadi di uscita e di ingresso corrisponda alla realtà.
Il passo successivo è testare il passaggio del segnale critico sul primo circuito stampato "prototipo" utilizzando un oscilloscopio ad alta frequenza. Assicurati che la forma d'onda non sia distorta mentre viaggia attraverso il PCB lungo l'intera lunghezza del conduttore, e solo seguendo le regole di cui sopra è improbabile che dia un risultato eccellente la prima volta, anche se può essere abbastanza buono. L'utilizzo di un analizzatore di campi elettromagnetici RF, o analizzatore di spettro, può essere un altro modo per indagare sull'integrità del segnale e sui problemi EMC a livello di PCB "prototipo". Le tecniche per tale analisi non sono oggetto di questo articolo.
Anche se si utilizzano simulazioni di circuiti complessi, non trascurare l'integrità del segnale e i controlli EMC sui primissimi prototipi di PCB.

Fornire impedenze d'onda nella fase di produzione del PCB
Il tipico materiale PCB FR4 ha una costante dielettrica (E r) di circa 3,8 ... 4,2 per GHz. I valori effettivi di E r possono variare entro ± 25%. Esistono materiali di tipo FR4 per i quali il valore E r è standardizzato e garantito dal fornitore, e non sono molto più costosi dei materiali convenzionali, ma i produttori di PCB non sono obbligati ad utilizzare i tipi FR4 "standardizzati" se non espressamente indicato nell'ordine per il PCB.
I produttori di PCB lavorano con spessori standard di dielettrici ("preimpregnati" e "laminati") e il loro spessore in ogni strato deve essere determinato prima di entrare in produzione, tenendo conto delle tolleranze di spessore (circa ± 10%). Per fornire un dato Z 0, per un certo spessore dielettrico, è possibile scegliere la larghezza del conduttore appropriata. Per alcuni produttori è necessario indicare la larghezza effettiva del conduttore richiesta, per altri - con un margine per il sottosquadro, che può raggiungere i 25-50 micron rispetto alla larghezza nominale. L'opzione migliore è indicare al produttore quale larghezza del conduttore in cui gli strati sono progettati per garantire lo Z 0 specificato. In questo caso, il produttore può regolare la larghezza del conduttore e la struttura dello strato per fornire i parametri specificati in base alla sua tecnologia di produzione. Inoltre, il produttore misura l'impedenza caratteristica effettiva su ciascun grezzo di fabbrica e scarta le schede su cui Z 0 non rientra nella tolleranza di ± 10% o più precisamente.
Per segnali superiori a 1 GHz, potrebbe essere necessario utilizzare materiali a frequenza più elevata con una migliore stabilità e altri parametri dielettrici (come il Duroid di Rogers, ecc.).

Letteratura
1. Tecniche di progettazione per EMC e integrità del segnale, Eur Ing Keith Armstrong.
2. IEC 61188-1-2: 1998 Schede Stampate e Assemblaggi di Schede Stampate - Progettazione e utilizzo. Parte 1-2: Requisiti generici - Impedenza controllata, www.iec.ch.
3. Progettazione di circuiti stampati multistrato di elevata complessità. Seminario Tecnologia PCB, 2006.
4.http: //library.espec.ws/books/chooseant/CHAPTER6/6-1.htm
5. Progettazione dell'hardware. Walt Kester.

CONSIDERAZIONI GENERALI

A causa delle differenze significative tra i circuiti analogici e digitali, la parte analogica del circuito deve essere separata dal resto del circuito e durante il cablaggio devono essere osservati metodi e regole speciali. Gli effetti dovuti alle caratteristiche imperfette dei circuiti stampati diventano particolarmente evidenti nei circuiti analogici ad alta frequenza, ma gli errori generali descritti in questo articolo possono influenzare le caratteristiche di qualità dei dispositivi che operano anche nella gamma di frequenze audio.

L'intento di questo articolo è discutere gli errori comuni commessi dai progettisti di PCB, descrivere l'impatto di questi errori sulle prestazioni e fornire consigli per la risoluzione dei problemi.

Circuito stampato - componente schematico

È solo in rare occasioni che un circuito analogico può essere instradato in modo che gli effetti che introduce non abbiano alcun effetto sulle prestazioni del circuito. Allo stesso tempo, tale impatto può essere minimizzato in modo che le caratteristiche della circuiteria analogica del dispositivo siano le stesse del modello e del prototipo.

Disposizione

I progettisti di circuiti digitali possono correggere piccoli errori su una scheda prodotta integrandola con ponticelli o, al contrario, rimuovendo conduttori non necessari, apportando modifiche al funzionamento dei microcircuiti programmabili, ecc., Passando molto presto allo sviluppo successivo. Questo non è il caso di un circuito analogico. Alcuni degli errori comuni discussi in questo articolo non possono essere corretti aggiungendo ponticelli o rimuovendo i fili in eccesso. Possono e renderanno inutilizzabile l'intero circuito stampato.

È molto importante per un progettista di circuiti digitali che utilizza tali metodi di correzione leggere e comprendere il materiale presentato in questo articolo con largo anticipo, prima di inviare il progetto alla produzione. Un po' di attenzione durante la progettazione e la discussione delle possibili opzioni non solo aiuterà a prevenire il riciclaggio del PCB, ma ridurrà anche il costo dovuto a errori in una piccola porzione analogica del circuito. Trovare errori e risolverli può portare a perdite di centinaia di ore. La prototipazione può ridurre questo tempo a un giorno o meno. Modella tutti i tuoi circuiti analogici.

Fonti di rumore e interferenze

Rumore e interferenze sono i principali elementi che limitano le prestazioni dei circuiti. L'interferenza può essere emessa da sorgenti o essere diretta agli elementi del circuito. I circuiti analogici si trovano spesso su un circuito stampato insieme a componenti digitali ad alta velocità, inclusi processori di segnali digitali ( DSP).

I segnali logici ad alta frequenza creano significative RFI ( RFI). Il numero di fonti di emissione di rumore è enorme: alimentatori chiave per sistemi digitali, telefoni cellulari, radio e televisione, lampade fluorescenti, personal computer, scariche di fulmini, ecc. Anche quando i circuiti analogici operano nella gamma di frequenze audio, l'RFI può creare un rumore notevole nel segnale di uscita.

La scelta del design del PCB è un fattore importante nel determinare le prestazioni meccaniche del dispositivo nel suo complesso. Per la produzione di circuiti stampati vengono utilizzati materiali di vari livelli di qualità. Sarà più adatto e conveniente per lo sviluppatore se il produttore del PCB è nelle vicinanze. In questo caso, è facile controllare la resistività e la costante dielettrica, i parametri principali del materiale PCB. Sfortunatamente, questo non è sufficiente e spesso è necessaria la conoscenza di altri parametri, come l'infiammabilità, la stabilità alle alte temperature e il coefficiente di igroscopicità. Questi parametri possono essere conosciuti solo dal produttore dei componenti utilizzati nella produzione dei circuiti stampati.

I materiali laminati sono designati dall'indice FR ( resistente alla fiamma, resistenza alla fiamma) e G. Il materiale con l'indice FR-1 ha la massima infiammabilità e FR-5 la minima. I materiali con indici G10 e G11 hanno caratteristiche speciali. I materiali dei circuiti stampati sono riportati nella tabella. 1.

Non utilizzare PCB di categoria FR-1. Ci sono molti esempi dell'uso di PCB FR-1 che hanno danni termici da componenti ad alta potenza. I PCB in questa categoria sono più simili al cartone.

FR-4 è spesso utilizzato nella produzione di apparecchiature industriali, mentre FR-2 è utilizzato nella produzione di elettrodomestici. Queste due categorie sono standardizzate nel settore e i PCB FR-2 e FR-4 sono spesso adatti per la maggior parte delle applicazioni. Ma a volte l'imperfezione delle caratteristiche di queste categorie costringe all'uso di altri materiali. Ad esempio, per applicazioni ad altissima frequenza, come materiale PCB vengono utilizzati fluoroplastici e persino ceramiche. Tuttavia, più il materiale PCB è esotico, più alto può essere il prezzo.

Quando si sceglie un materiale per circuito stampato, prestare particolare attenzione alla sua igroscopicità, poiché questo parametro può avere un forte effetto negativo sulle caratteristiche desiderate della scheda: resistenza superficiale, perdite, proprietà isolanti ad alta tensione (rotture e archi) e resistenza meccanica. Prestare attenzione anche alla temperatura di esercizio. I punti caldi possono verificarsi in luoghi imprevisti, come vicino a grandi circuiti integrati digitali che commutano ad alte frequenze. Se queste aree si trovano direttamente sotto i componenti analogici, l'aumento della temperatura può influire sulle prestazioni del circuito analogico.

Tabella 1

	Componenti, commenti
	carta, composizione fenolica: pressatura e stampaggio a temperatura ambiente, alto coefficiente di igroscopicità
	carta, composizione fenolica: applicabile per circuiti stampati monofaccia di elettrodomestici, bassa igroscopicità
	carta, composizione epossidica: formulazioni con buone caratteristiche meccaniche ed elettriche
	fibra di vetro, composizione epossidica: eccellenti proprietà meccaniche ed elettriche
	fibra di vetro, composizione epossidica: alta resistenza a temperature elevate, nessuna infiammabilità
	fibra di vetro, composizione epossidica: elevate proprietà isolanti, la massima resistenza della fibra di vetro, basso coefficiente di igroscopicità
	fibra di vetro, composizione epossidica: elevata resistenza alla flessione a temperature elevate, elevata resistenza ai solventi

Una volta selezionato il materiale del PCB, è necessario determinare lo spessore del foglio del PCB. Questo parametro viene selezionato principalmente in base al valore massimo della corrente che scorre. Quando possibile, cerca di evitare di usare fogli molto sottili.

NUMERO DI STRATI PCB

A seconda della complessità complessiva del circuito e dei requisiti di qualità, il progettista deve determinare il numero di strati nel PCB.

Circuiti stampati a strato singolo

I circuiti elettronici molto semplici sono realizzati su schede a un solo lato utilizzando materiali rivestiti in lamina economici (FR-1 o FR-2) e spesso hanno molti ponticelli, simili a schede a doppia faccia. Questo metodo di creazione di circuiti stampati è consigliato solo per circuiti a bassa frequenza. Per i motivi che verranno descritti di seguito, i circuiti stampati a lato singolo sono altamente suscettibili alle interferenze ... Un buon PCB a lato singolo è difficile da progettare per molte ragioni. Tuttavia, ci sono buone schede di questo tipo, ma richiedono molta riflessione in anticipo durante lo sviluppo.

PCB a doppio strato

Al livello successivo ci sono i PCB a doppia faccia, che nella maggior parte dei casi utilizzano FR-4 come materiale di substrato, sebbene a volte si trovi anche FR-2. È preferibile l'uso di FR-4, poiché i fori nei circuiti stampati di questo materiale sono di migliore qualità. I circuiti su circuiti stampati a doppia faccia sono molto più facili da cablare, perché è più facile instradare le tracce che si intersecano in due strati. Tuttavia, l'attraversamento del sentiero non è raccomandato per i circuiti analogici. Ove possibile, lo strato inferiore ( parte inferiore) deve essere instradato sotto il poligono di terra e il resto dei segnali deve essere instradato nello strato superiore ( superiore). Ci sono diversi vantaggi nell'usare un poligono come piano terra:

• il filo comune è il filo più frequentemente connesso nel circuito; quindi, è ragionevole avere "molto" filo comune per semplificare il cablaggio.
• la resistenza meccanica della tavola aumenta.
• la resistenza di tutte le connessioni al filo comune diminuisce, il che, a sua volta, riduce il rumore e le interferenze.
• la capacità distribuita aumenta per ciascun circuito nel circuito, contribuendo a sopprimere il rumore irradiato.
• il poligono, che è uno schermo, sopprime l'interferenza emessa dalle sorgenti poste a lato del poligono.

I PCB a doppia faccia, nonostante tutti i loro vantaggi, non sono i migliori, specialmente per circuiti a segnale piccolo o ad alta velocità. In generale, lo spessore del circuito stampato, ad es. la distanza tra gli strati è di 1,5 mm, che è troppo per realizzare appieno alcuni dei vantaggi di un PCB a doppio strato sopra. La capacità allocata, ad esempio, è troppo piccola a causa di un intervallo così ampio.

PCB multistrato

Per la progettazione di circuiti critici, sono necessari circuiti stampati multistrato (MPP). Alcuni dei motivi del loro utilizzo sono ovvi:

• lo stesso conveniente, come per il bus di filo comune, il layout del bus di alimentazione; se i poligoni su un livello separato vengono utilizzati come bus di alimentazione, è abbastanza semplice eseguire l'alimentazione a ciascun elemento del circuito utilizzando le vie;
• Gli strati di segnale vengono liberati dalle linee di alimentazione, facilitando il cablaggio del segnale.
• appare una capacità distribuita tra i poligoni di terra e di potenza, che riduce il rumore ad alta frequenza.

Oltre a questi motivi per l'utilizzo di circuiti stampati multistrato, ce ne sono altri, meno ovvi:

• migliore soppressione dell'elettromagnetismo ( EMI) e radiofrequenza ( RFI) interferenza per effetto di riflessione ( effetto piano immagine), conosciuto ai tempi di Marconi. Quando un conduttore viene posizionato vicino a una superficie conduttiva piatta, la maggior parte delle correnti di ritorno ad alta frequenza fluirà nel piano direttamente sotto il conduttore. La direzione di queste correnti sarà opposta alla direzione delle correnti nel conduttore. Pertanto, la riflessione del conduttore nel piano crea una linea di trasmissione del segnale. Poiché le correnti nel conduttore e nel piano sono uguali in grandezza e opposte in direzione, si crea una certa riduzione dei disturbi irradiati. L'effetto riflesso funziona efficacemente solo con poligoni solidi indivisibili (possono essere sia poligoni terrestri che poligoni di ricarica). Qualsiasi violazione dell'integrità risulterà in una riduzione del rifiuto delle interferenze.
• costi complessivi inferiori per la produzione di piccoli lotti. Sebbene i PCB multistrato siano più costosi da produrre, la loro radiazione potenziale è inferiore a quella dei PCB a strato singolo e doppio. Di conseguenza, in alcuni casi, l'utilizzo delle sole schede multistrato consentirà di soddisfare i requisiti di radiazione stabiliti durante lo sviluppo, e di non effettuare ulteriori test e test. L'uso di MPP può ridurre il livello di interferenza irradiata di 20 dB rispetto alle schede a doppio strato.

Ordine dei livelli

Gli sviluppatori inesperti hanno spesso un po' di confusione sull'ordine ottimale degli strati del PCB. Prendiamo, ad esempio, un reparto a 4 strati contenente due strati di segnale e due strati di poligoni: lo strato di terra e lo strato di potenza. Qual è il miglior ordine di strati? Strati di segnale tra poligoni che fungeranno da scudi? O creare livelli poligonali interni per ridurre l'interferenza del livello del segnale?

Quando si risolve questo problema, è importante ricordare che spesso la disposizione degli strati non ha molta importanza, poiché i componenti si trovano comunque sugli strati esterni e i bus che forniscono segnali ai loro pin a volte passano attraverso tutti gli strati. Pertanto, qualsiasi effetto schermo è solo un compromesso. In questo caso, è meglio occuparsi di creare una grande capacità distribuita tra i poligoni di potenza e di terra, posizionandoli negli strati interni.

Un altro vantaggio dell'esterno dei livelli di segnale è la disponibilità di segnali per il test e la possibilità di modificare i collegamenti. Chiunque abbia cambiato almeno una volta i collegamenti dei conduttori situati negli strati interni apprezzerà questa possibilità.

Per i PCB con più di quattro strati, esiste una regola generale per posizionare i fili del segnale ad alta velocità tra la terra e le linee elettriche e i fili a bassa frequenza negli strati esterni.

MESSA A TERRA

Una buona messa a terra è un requisito comune per un sistema ricco e stratificato. E dovrebbe essere pianificato dalla prima fase di progettazione.

Regola di base: divisione della terra .

Dividere il terreno in parti analogiche e digitali è uno dei metodi più semplici ed efficaci di soppressione del rumore. Uno o più strati di un circuito stampato multistrato sono solitamente assegnati come piano di massa. Se lo sviluppatore non è molto esperto o disattento, la massa della parte analogica sarà collegata direttamente a questi poligoni, ad es. la corrente di ritorno analogica utilizzerà lo stesso circuito della corrente di ritorno digitale. Gli intermediari automobilistici funzionano più o meno allo stesso modo e consolidano tutte le terre insieme.

Se un circuito stampato precedentemente sviluppato con un unico piano di massa che combina i motivi analogici e digitali viene sottoposto a elaborazione, è necessario prima separare fisicamente i motivi sulla scheda (dopo questa operazione, il funzionamento della scheda diventa quasi impossibile). Successivamente, tutte le connessioni vengono effettuate al piano di massa analogico dei componenti del circuito analogico (si forma una massa analogica) e al piano di massa digitale dei componenti del circuito digitale (si forma una massa digitale). E solo dopo, la massa digitale e analogica vengono combinate nella sorgente.

Altre regole per la formazione del terreno:

Quasi tutti i segnali di clock sono segnali di frequenza sufficientemente alta che anche piccole capacità tra tracce e poligoni possono creare connessioni significative. Va ricordato che non solo la frequenza di clock fondamentale può causare il problema, ma anche le sue armoniche superiori.

Un esempio di buon posizionamento dei componenti

La Figura 4 mostra un possibile layout di tutti i componenti della scheda, compreso l'alimentatore. Utilizza tre poligoni terra/alimentazione separati e isolati: uno per la sorgente, uno per il digitale e uno per l'analogico. I circuiti di massa e di alimentazione delle parti analogiche e digitali sono combinati solo nell'alimentatore. Il rumore ad alta frequenza viene filtrato nei circuiti di alimentazione da induttanze. In questo esempio, i segnali ad alta frequenza delle porzioni analogica e digitale sono distanziati. Questo design ha un'altissima probabilità di un esito favorevole a causa del buon posizionamento dei componenti e del rispetto delle regole per la separazione dei circuiti.

C'è solo un caso in cui i segnali analogici e digitali devono essere combinati su un poligono di terra analogico. I convertitori A/D e D/A sono alloggiati in custodie con pin di massa analogici e digitali. Sulla base delle considerazioni precedenti, si può presumere che il pin di terra digitale e il pin di terra analogico debbano essere collegati rispettivamente ai bus di terra digitale e analogico. Tuttavia, in questo caso, questo non è vero.

I nomi dei pin (analogici o digitali) si riferiscono solo alla struttura interna del convertitore, alle sue connessioni interne. Nel circuito, questi pin dovrebbero essere collegati al bus di terra analogico. La connessione può essere effettuata anche all'interno del circuito integrato, tuttavia è piuttosto difficile ottenere una bassa resistenza di tale connessione a causa di vincoli topologici. Pertanto, quando si utilizzano convertitori, si presume la connessione esterna dei pin di terra analogici e digitali. In caso contrario, i parametri del microcircuito saranno molto peggiori di quelli indicati nelle specifiche.

Va tenuto presente che gli elementi digitali del convertitore possono degradare le caratteristiche qualitative del circuito, introducendo rumore digitale nella massa analogica e nei circuiti di potenza analogici. Quando si progettano i convertitori, si tiene conto di questo impatto negativo in modo che la parte digitale consumi meno energia possibile. Allo stesso tempo, si riduce l'interferenza degli elementi logici di commutazione. Se i pin digitali del convertitore non sono caricati pesantemente, la commutazione interna di solito non è un problema. Quando si progetta un PCB contenente un ADC o DAC, è necessario prestare la dovuta attenzione al disaccoppiamento dell'alimentazione del convertitore digitale dalla terra analogica.

CARATTERISTICHE DI FREQUENZA DEI COMPONENTI PASSIVI

La corretta scelta dei componenti passivi è fondamentale per il corretto funzionamento dei circuiti analogici. Inizia il tuo progetto considerando attentamente le caratteristiche RF dei componenti passivi e pre-posizionandoli e disponendoli sullo schizzo della scheda.

Un gran numero di progettisti ignora completamente i limiti di frequenza dei componenti passivi quando utilizzati in circuiti analogici. Questi componenti hanno intervalli di frequenza limitati e il funzionamento al di fuori del dominio di frequenza specificato può portare a risultati imprevedibili. Si potrebbe pensare che questa discussione riguardi solo i circuiti analogici ad alta velocità. Tuttavia, questo è tutt'altro che vero: i segnali ad alta frequenza influenzano fortemente i componenti passivi dei circuiti a bassa frequenza attraverso la radiazione o la comunicazione diretta attraverso i conduttori. Ad esempio, un semplice filtro passa-basso su un amplificatore operazionale può facilmente trasformarsi in un filtro passa-alto quando il suo ingresso è ad alta frequenza.

resistori

Le caratteristiche ad alta frequenza dei resistori possono essere rappresentate dal circuito equivalente mostrato in Figura 5.

Vengono comunemente usati tre tipi di resistori: 1) a filo avvolto, 2) in composito di carbonio e 3) a film. Non ci vuole molta immaginazione per capire come un resistore a filo avvolto può essere convertito in induttanza, dal momento che è una bobina con filo metallico ad alta resistenza. La maggior parte dei progettisti di dispositivi elettronici non ha idea della struttura interna dei resistori a film, che sono anche una bobina, tuttavia, costituita da un film metallico. Pertanto, i resistori a film hanno anche un'induttanza inferiore a quella dei resistori a filo. I resistori a film con una resistenza inferiore a 2 kOhm possono essere utilizzati liberamente nei circuiti ad alta frequenza. I cavi del resistore sono paralleli tra loro, quindi c'è un notevole accoppiamento capacitivo tra di loro. Per i resistori ad alta resistenza, la capacità da cavo a pin ridurrà l'impedenza totale alle alte frequenze.

Condensatori

Le caratteristiche ad alta frequenza dei condensatori possono essere rappresentate dal circuito equivalente mostrato in Figura 6.

I condensatori nei circuiti analogici vengono utilizzati come componenti di disaccoppiamento e filtraggio. Per un condensatore ideale, la reattanza è determinata dalla seguente formula:

Pertanto, un condensatore elettrolitico da 10 μF avrà una resistenza di 1,6 ohm a 10 kHz e 160 μΩ a 100 MHz. È così?

Quando si utilizzano condensatori elettrolitici, assicurarsi che i collegamenti siano corretti. Il terminale positivo deve essere collegato a un potenziale CC più positivo. Un collegamento errato porta a una corrente continua che scorre attraverso il condensatore elettrolitico, che può danneggiare non solo il condensatore stesso, ma anche parte del circuito.

In rari casi, la differenza di potenziale CC tra due punti del circuito può cambiare segno. Ciò richiede l'uso di condensatori elettrolitici non polari, la cui struttura interna è equivalente a due condensatori polari collegati in serie.

Induttanza

Le caratteristiche ad alta frequenza degli induttori possono essere rappresentate dal circuito equivalente mostrato in Figura 7.

La reattanza di un induttore è descritta dalla seguente formula:

Pertanto, un'induttanza di 10 mH avrà una reattanza di 628 a una frequenza di 10 kHz e, a una frequenza di 100 MHz, una resistenza di 6,28 MΩ. Destra?

Scheda a circuito stampato

Il circuito stampato stesso ha le caratteristiche dei componenti passivi discussi sopra, sebbene non così ovvio.

Lo schema dei conduttori su un circuito stampato può essere sia una fonte che un ricevitore di interferenza. Un buon instradamento dei cavi riduce la sensibilità del circuito analogico alle emissioni di origine.

Il circuito stampato è suscettibile alle radiazioni perché i conduttori e i cavi dei componenti formano una sorta di antenna. La teoria dell'antenna è un argomento complesso da studiare e va oltre lo scopo di questo articolo. Tuttavia, alcune delle nozioni di base sono fornite qui.

Un po' di teoria dell'antenna

A DC o basse frequenze, predomina la componente attiva. Con l'aumentare della frequenza, la componente reattiva diventa sempre più significativa. Nella gamma da 1 kHz a 10 kHz, la componente induttiva inizia a fare effetto e il conduttore non è più un connettore a bassa impedenza, ma agisce piuttosto come un induttore.

La formula per calcolare l'induttanza di un conduttore PCB è la seguente:

Tipicamente, le tracce di PCB vanno da 6 nH a 12 nH per centimetro di lunghezza. Ad esempio, un conduttore da 10 cm ha una resistenza di 57 mΩ e un'induttanza di 8 nH / cm. A 100 kHz, la reattanza diventa 50 mΩ e, a frequenze più elevate, il conduttore sarà induttanza anziché resistenza.

La regola dell'antenna a stilo afferma che essa inizia ad interagire percettibilmente con il campo alla sua lunghezza di circa 1/20 della lunghezza d'onda, e l'interazione massima avviene alla lunghezza dell'asta pari a 1/4 della lunghezza d'onda. Pertanto, il filo da 10 cm dell'esempio nel paragrafo precedente inizierà a diventare un'antenna abbastanza buona sopra i 150 MHz. Va ricordato che sebbene un generatore di clock digitale possa non funzionare oltre i 150 MHz, il suo segnale contiene sempre armoniche più elevate. Se il circuito stampato contiene componenti con pin lunghi, questi pin possono anche fungere da antenne.

Un altro tipo base di antenna sono le antenne ad anello. L'induttanza di un conduttore rettilineo aumenta notevolmente quando si piega e diventa parte di un arco. L'aumento dell'induttanza riduce la frequenza alla quale l'antenna inizia a interagire con le linee di campo.

I progettisti di PCB esperti che hanno una discreta familiarità con la teoria dell'antenna a loop sanno che non è possibile creare loop per segnali critici. Alcuni progettisti, tuttavia, non ci pensano e i conduttori di segnale e di ritorno nei loro circuiti sono loop. La creazione di antenne ad anello è facile da mostrare con un esempio (Fig. 8). Mostra anche come creare un'antenna scanalata.

Considera tre casi:

L'opzione A è un esempio di cattiva progettazione. Non usa affatto un poligono di terra analogico. Il loopback è formato dai conduttori di terra e di segnale. Quando la corrente scorre, si generano un campo elettrico e un campo magnetico perpendicolare ad essa. Questi campi costituiscono la base dell'antenna a telaio. La regola dell'antenna ad anello afferma che per la massima efficienza, la lunghezza di ciascun conduttore dovrebbe essere uguale alla metà della lunghezza d'onda della radiazione ricevuta. Tuttavia, va ricordato che anche a 1/20 della lunghezza d'onda, l'antenna a telaio è ancora abbastanza efficiente.

L'opzione B è migliore dell'opzione A, ma qui c'è un'interruzione nel poligono, probabilmente per creare spazio per i cavi di segnale. I percorsi del segnale e della corrente di ritorno formano un'antenna a fessura. Altri anelli si formano nei ritagli attorno ai microcircuiti.

L'opzione B è un esempio di design migliore. I percorsi del segnale e della corrente di ritorno sono gli stessi, vanificando l'efficacia dell'antenna a telaio. Nota che questa opzione ha anche dei ritagli attorno ai chip, ma sono separati dal percorso corrente di ritorno.

La teoria della riflessione e dell'adattamento del segnale è vicina alla teoria delle antenne.

La riflessione del segnale può verificarsi quando il conduttore del PCB viene ruotato di 90 °. Ciò è dovuto principalmente a un cambiamento nella larghezza del percorso corrente. All'apice dell'angolo, la larghezza della traccia aumenta di 1.414 volte, il che porta a una discrepanza nelle caratteristiche della linea di trasmissione, in particolare la capacità distribuita e l'autoinduttanza della traccia. Molto spesso è necessario ruotare la traccia di 90 ° sul PCB. Molti pacchetti CAD moderni consentono di smussare gli angoli dei percorsi tracciati o tracciare percorsi sotto forma di arco. La Figura 9 mostra due passaggi per migliorare la forma di un angolo. Solo l'ultimo esempio mantiene una carreggiata costante e riduce al minimo i riflessi.

Un consiglio per i progettisti di layout PCB esperti: lascia la procedura di anti-aliasing all'ultimo passaggio prima di creare drop pad e versare poligoni. In caso contrario, il pacchetto CAD impiegherà più tempo per essere smussato a causa di calcoli più complessi.

Un accoppiamento capacitivo si verifica tra i conduttori su un PCB su strati diversi quando si incrociano. Questo a volte può creare un problema. I conduttori impilati su strati adiacenti creano un condensatore a film lungo. La capacità di tale condensatore viene calcolata utilizzando la formula mostrata nella Figura 10.

Ad esempio, un circuito stampato può avere i seguenti parametri:
- 4 strati; livello di segnale e poligono di terra - adiacente,
- distanza tra gli strati - 0,2 mm,
- larghezza del conduttore - 0,75 mm,
- lunghezza del conduttore - 7,5 mm.

L'ER tipico per FR-4 è 4.5.

Sostituendo tutti i valori nella formula, otteniamo il valore della capacità tra questi due bus, pari a 1,1 pF. Anche questa capacità apparentemente piccola è inaccettabile per alcune applicazioni. La Figura 11 illustra l'effetto della capacità di 1 pF quando è collegata all'ingresso invertente di un amplificatore operazionale ad alta frequenza.

Si può vedere che c'è un raddoppio dell'ampiezza del segnale di uscita a frequenze vicine al limite superiore della gamma di frequenze dell'amplificatore operazionale. Questo, a sua volta, può portare a laser, specialmente alle frequenze operative dell'antenna (sopra i 180 MHz).

Questo effetto dà luogo a numerosi problemi, per i quali, tuttavia, ci sono molti modi. Il più ovvio di questi è la riduzione della lunghezza dei conduttori. Un altro modo è ridurre la loro larghezza. Non c'è motivo di usare un conduttore di questa larghezza per collegare un segnale all'ingresso invertente, perché pochissima corrente scorre attraverso questo conduttore. Ridurre la lunghezza della traccia a 2,5 mm e la larghezza a 0,2 mm porterà a una diminuzione della capacità a 0,1 pF e tale capacità non porterà più a un aumento così significativo della risposta in frequenza. Un'altra soluzione è rimuovere la parte del poligono sotto l'ingresso invertente e il conduttore che va ad esso.

La larghezza dei conduttori di un circuito stampato non può essere ridotta all'infinito. La larghezza limite è determinata sia dal processo tecnologico che dallo spessore del foglio. Se due conduttori passano l'uno vicino all'altro, tra loro si forma un accoppiamento capacitivo e induttivo (Fig. 12).

I cavi di segnale non devono essere instradati parallelamente l'uno all'altro a meno che non siano cablate linee differenziali o linee a microstriscia. La distanza tra i conduttori deve essere almeno tre volte la larghezza dei conduttori.

La capacità tra le tracce nei circuiti analogici può essere difficile con valori di resistori elevati (diversi megaohm). L'accoppiamento capacitivo relativamente grande tra gli ingressi invertente e non invertente di un amplificatore operazionale può facilmente autoeccitare il circuito.

Ad esempio, con d = 0,4 mm e h = 1,5 mm (valori abbastanza comuni), l'induttanza del foro è 1,1 nH.

Ricorda che se ci sono alte resistenze nel circuito, è necessario prestare particolare attenzione alla pulizia della scheda. Nelle fasi finali della produzione del circuito stampato, il flusso residuo e la contaminazione devono essere rimossi. Di recente, durante l'assemblaggio di circuiti stampati, vengono spesso utilizzati flussi solubili in acqua. Meno dannosi, possono essere facilmente rimossi con acqua. Ma allo stesso tempo, lavare la scheda con acqua non sufficientemente pulita può portare a un'ulteriore contaminazione, che deteriora le caratteristiche dielettriche. Pertanto, è molto importante pulire il PCB ad alta impedenza con acqua distillata fresca.

SEGNALI INTERCOOLING

Come notato, il rumore può entrare nella porzione analogica di un circuito attraverso il circuito di alimentazione. Per ridurre questo rumore, vengono utilizzati condensatori di disaccoppiamento (blocco) per ridurre l'impedenza locale delle linee di alimentazione.

Se è necessario separare un circuito stampato, su cui sono presenti sia parti analogiche che digitali, è necessario avere almeno una piccola idea delle caratteristiche elettriche degli elementi logici.

Un tipico stadio di uscita di un elemento logico contiene due transistor collegati in serie tra loro, nonché tra i circuiti di alimentazione e di massa (Fig. 14).

Idealmente, questi transistor funzionano rigorosamente in antifase, ad es. quando uno di essi è aperto, allo stesso tempo viene chiuso il secondo, formando in uscita un segnale di un'unità logica o uno zero logico. Nello stato logico stazionario, il consumo energetico dell'elemento logico è basso.

La situazione cambia drasticamente quando lo stadio di uscita passa da uno stato logico all'altro. In questo caso, per un breve periodo di tempo, entrambi i transistor possono essere accesi contemporaneamente e la corrente di alimentazione dello stadio di uscita aumenta notevolmente, poiché la resistenza del percorso di corrente dalla barra di alimentazione alla barra di terra attraverso due collegamenti in serie transistor diminuisce. Il consumo di energia aumenta bruscamente, quindi diminuisce anche, il che porta a un cambiamento locale della tensione di alimentazione e all'emergere di un brusco cambiamento di corrente a breve termine. Questi cambiamenti nella corrente provocano l'emissione di energia a radiofrequenza. Anche su un circuito stampato relativamente semplice, possono esserci decine o centinaia di stadi di uscita considerati di elementi logici, quindi l'effetto totale del loro funzionamento simultaneo può essere molto grande.

È impossibile prevedere con precisione l'intervallo di frequenza in cui si troveranno questi picchi di corrente, poiché la frequenza del loro verificarsi dipende da molte ragioni, incluso il ritardo di propagazione della commutazione dei transistor dell'elemento logico. Il ritardo, a sua volta, dipende anche da una serie di cause casuali che si verificano durante il processo di produzione. Il rumore di commutazione ha una distribuzione armonica a banda larga su tutta la gamma. Esistono diversi metodi per sopprimere il rumore digitale, la cui applicazione dipende dalla distribuzione spettrale del rumore.

La tabella 2 mostra le frequenze operative massime per i tipi di condensatori comuni.

Tavolo 2

È ovvio dalla tabella che i condensatori elettrolitici al tantalio sono utilizzati per frequenze inferiori a 1 MHz, a frequenze più elevate dovrebbero essere utilizzati condensatori ceramici. Va ricordato che i condensatori hanno la loro risonanza e la loro scelta sbagliata potrebbe non solo non aiutare, ma anche aggravare il problema. La Figura 15 mostra le tipiche risonanze naturali di due condensatori per uso generico: elettrolitico al tantalio da 10 μF e ceramico da 0,01 μF.

Le caratteristiche effettive possono variare da produttore a produttore e persino da lotto a lotto per un produttore. È importante capire che affinché un condensatore funzioni in modo efficace, le frequenze che sopprime devono essere in un intervallo inferiore rispetto alla frequenza di risonanza naturale. Altrimenti, la natura della reattanza sarà induttiva e il condensatore non funzionerà più in modo efficace.

Non commettere errori che un condensatore da 0,1 μF sopprimerà tutte le frequenze. Piccoli condensatori (10 nF o meno) possono funzionare in modo più efficiente a frequenze più alte.

Disaccoppiamento dell'alimentazione IC

L'isolamento dell'alimentatore IC per sopprimere il rumore ad alta frequenza consiste nell'uso di uno o più condensatori collegati tra i pin di alimentazione e di terra. È importante che i cavi che collegano i cavi ai condensatori siano corti. In caso contrario, l'induttanza intrinseca dei conduttori svolgerà un ruolo significativo e annullerà i vantaggi dell'utilizzo di condensatori di disaccoppiamento.

Un condensatore di disaccoppiamento deve essere collegato a ciascun pacchetto, indipendentemente dal numero di amplificatori operazionali all'interno del contenitore, 1, 2 o 4. Se l'amplificatore operazionale è alimentato da un'alimentazione bipolare, è ovvio che i condensatori di disaccoppiamento devono essere posizionati ad ogni pin di alimentazione. Il valore della capacità deve essere accuratamente selezionato in base al tipo di rumore e interferenza presente nel circuito.

In casi particolarmente difficili può essere necessario aggiungere un'induttanza in serie al cavo di alimentazione. L'induttanza deve essere posta prima, non dopo i condensatori.

Un altro modo più economico è sostituire l'induttanza con un resistore a bassa resistenza (10 ... 100 Ohm). In questo caso, insieme al condensatore di disaccoppiamento, il resistore forma un filtro passa basso. Questo metodo riduce la gamma di alimentazione dell'amplificatore operazionale, che diventa anche più dipendente dal consumo di energia.

Tipicamente, uno o più condensatori elettrolitici in alluminio o tantalio sul connettore di alimentazione in ingresso possono essere sufficienti per sopprimere il rumore a bassa frequenza nei circuiti di alimentazione. Un condensatore ceramico aggiuntivo sopprimerà le interferenze ad alta frequenza da altre schede.

ISOLAMENTO SEGNALI IN INGRESSO E USCITA

Molti problemi di rumore sono il risultato della connessione diretta dei pin di input e output. A causa della limitazione dell'alta frequenza dei componenti passivi, la risposta del circuito al rumore ad alta frequenza può essere abbastanza imprevedibile.

In una situazione in cui l'intervallo di frequenza del rumore indotto è significativamente diverso dall'intervallo di frequenza del circuito, la soluzione è semplice ed ovvia: posizionare un filtro RC passivo per sopprimere le interferenze ad alta frequenza. Tuttavia, quando si utilizza un filtro passivo, bisogna fare attenzione: le sue caratteristiche (a causa delle caratteristiche di frequenza imperfette dei componenti passivi) perdono le loro proprietà a frequenze 100 ... 1000 volte superiori alla frequenza di taglio (f 3db). Quando si utilizzano filtri collegati in serie sintonizzati su gamme di frequenza diverse, il filtro passa-alto dovrebbe essere il più vicino alla fonte dell'interferenza. Gli induttori di ferrite possono anche essere usati per sopprimere il rumore; conservano il carattere induttivo di resistenza fino a una certa frequenza definita, e al di sopra diviene attiva la loro resistenza.

Puntare al circuito analogico può essere così grande che è possibile eliminarli (o almeno ridurli) solo utilizzando gli schermi. Per funzionare in modo efficace, devono essere progettati con cura in modo che le frequenze che creano più problemi non possano entrare nel circuito. Ciò significa che lo schermo non dovrebbe avere aperture o ritagli maggiori di 1/20 della lunghezza d'onda della radiazione schermata. È una buona idea riservare spazio sufficiente per lo schermo previsto fin dall'inizio della progettazione del PCB. Quando si utilizza uno schermo, è possibile utilizzare anche anelli di ferrite (o perline) per tutte le connessioni al circuito.

CASI DI AMPLIFICATORE OPERATIVO

Un pacchetto di solito contiene uno, due o quattro amplificatori operazionali (Fig. 16).

Un singolo amplificatore operazionale ha spesso anche ingressi aggiuntivi, ad esempio, per regolare la tensione di offset. Gli amplificatori operazionali doppi e quadrupli hanno solo ingressi e uscite invertenti e non invertenti. Pertanto, se è necessario disporre di ulteriori regolazioni, è necessario utilizzare singoli amplificatori operazionali. Quando si utilizzano pin aggiuntivi, ricordare che per la loro struttura sono ingressi ausiliari, quindi devono essere controllati con attenzione e secondo le raccomandazioni del produttore.

In un singolo amplificatore operazionale, l'uscita si trova sul lato opposto degli ingressi. Ciò può rendere difficile il funzionamento dell'amplificatore alle alte frequenze a causa dei lunghi conduttori di feedback. Un modo per superare questo problema è posizionare l'amplificatore e i componenti di feedback su lati diversi del PCB. Ciò, tuttavia, si traduce in almeno due ulteriori fori e ritagli nel poligono di terra. A volte vale la pena utilizzare un doppio amplificatore operazionale per risolvere questo problema, anche se il secondo amplificatore non viene utilizzato (e i suoi cavi devono essere collegati correttamente). La figura 17 illustra la riduzione della lunghezza dei conduttori di retroazione per l'inversione dell'accensione.

Gli amplificatori operazionali doppi sono utilizzati in particolare negli amplificatori stereo e gli amplificatori operazionali quad sono utilizzati nei circuiti di filtro multistadio. Tuttavia, c'è uno svantaggio piuttosto significativo in questo. Sebbene la tecnologia attuale fornisca un isolamento decente tra gli amplificatori situati sullo stesso chip di silicio, c'è ancora un po' di diafonia tra di loro. Se è necessario avere pochissime interferenze di questo tipo, è necessario utilizzare singoli amplificatori operazionali. Il crosstalk non riguarda solo amplificatori doppi o quadrupli. La loro fonte può essere una disposizione molto stretta di componenti passivi di diversi canali.

Gli amplificatori operazionali gemelli e quad, oltre a quanto sopra, consentono un'installazione più stretta. I singoli amplificatori sono, per così dire, specchiati l'uno rispetto all'altro (Fig. 18).

Le figure 17 e 18 non mostrano tutte le connessioni necessarie per il normale funzionamento, ad esempio un driver di livello medio con alimentazione unipolare. La Figura 19 mostra un diagramma di tale driver quando si utilizza un amplificatore quad.

Lo schema mostra tutti i collegamenti necessari per la realizzazione di tre stadi invertenti indipendenti. È necessario prestare attenzione al fatto che i conduttori del driver a mezza tensione si trovano direttamente sotto l'alloggiamento del circuito integrato, il che consente di ridurne la lunghezza. Questo esempio illustra non come dovrebbe essere, ma cosa dovrebbe essere fatto. La tensione di livello medio, ad esempio, potrebbe essere la stessa per tutti e quattro gli amplificatori. I componenti passivi possono essere opportunamente dimensionati. Ad esempio, i componenti planari di dimensione 0402 corrispondono alla distanza tra i pin di un pacchetto SO standard. Ciò consente di mantenere la lunghezza dei conduttori molto corta per applicazioni ad alta frequenza.

VOLUME E MONTAGGIO SUPERFICIALE

Quando si posizionano amplificatori operazionali in contenitori DIP e componenti passivi con cavi, il PCB richiede via per il montaggio. Tali componenti sono attualmente utilizzati quando non ci sono requisiti speciali per le dimensioni del circuito stampato; Di solito sono più economici, ma il costo del PCB aumenta durante il processo di produzione a causa della perforazione di fori aggiuntivi per i cavi dei componenti.

Inoltre, l'uso di componenti esterni aumenta le dimensioni della scheda e la lunghezza dei conduttori, il che non consente al circuito di funzionare alle alte frequenze. Le vie hanno una propria induttanza, che impone anche restrizioni sulle caratteristiche dinamiche del circuito. Pertanto, i componenti esterni non sono consigliati per applicazioni ad alta frequenza o per circuiti analogici situati in prossimità di circuiti logici ad alta velocità.

Alcuni progettisti posizionano i resistori verticalmente nel tentativo di ridurre la lunghezza dei conduttori. A prima vista, può sembrare che questo accorcia la lunghezza della pista. Tuttavia, questo aumenta il percorso del flusso di corrente attraverso il resistore e il resistore stesso è un anello (giro di induttanza). La capacità di emissione e ricezione aumenta molte volte.

Per le applicazioni a montaggio superficiale, non è necessario posizionare un foro per ciascun cavo del componente. Tuttavia, ci sono problemi durante il test di un circuito e devi usare i via come punti di controllo, specialmente quando usi piccoli componenti.

SEZIONI OP NON UTILIZZATE

Quando si utilizzano amplificatori operazionali doppi e quad nel circuito, alcune delle loro sezioni potrebbero rimanere inutilizzate e in questo caso devono essere collegate correttamente. Una connessione errata può portare ad un aumento del consumo energetico, più riscaldamento e più rumore degli amplificatori operazionali utilizzati nello stesso caso. I pin degli amplificatori operazionali inutilizzati possono essere collegati come mostrato in Fig. 20a. Il collegamento di pin con componenti aggiuntivi (Fig. 20b) renderà più facile l'uso di questo amplificatore operazionale durante la configurazione.

CONCLUSIONE

Ricordare i seguenti punti fondamentali e osservarli sempre durante la progettazione e il cablaggio di circuiti analogici.

Generale:

• Pensa a un circuito stampato come a un componente di un circuito elettrico.
• avere una comprensione e una comprensione delle fonti di rumore e di interferenza;
• circuiti modello e prototipo.

Scheda a circuito stampato:

• utilizzare circuiti stampati solo di materiale di alta qualità (ad esempio FR-4);
• i circuiti realizzati su circuiti stampati multistrato sono 20 dB meno suscettibili alle interferenze esterne rispetto ai circuiti realizzati su schede a due strati;
• utilizzare poligoni divisi e non sovrapposti per diversi terreni e cibo;
• posizionare i poligoni di terra e di alimentazione sugli strati interni del PCB.

Componenti:

• Essere consapevoli dei vincoli di frequenza introdotti dai componenti passivi e dai conduttori della scheda;
• cercare di evitare il posizionamento verticale di componenti passivi nei circuiti ad alta velocità;
• per i circuiti ad alta frequenza, utilizzare componenti progettati per il montaggio superficiale;
• i conduttori dovrebbero essere più corti e meglio è;
• se è richiesta una lunghezza del conduttore più lunga, ridurne la larghezza;
• i cavi inutilizzati dei componenti attivi devono essere collegati correttamente.

Cablaggio:

• posizionare i circuiti analogici vicino al connettore di alimentazione;
• non instradare mai fili che trasportano segnali logici attraverso l'area analogica della scheda e viceversa;
• mantenere in cortocircuito i conduttori adatti all'ingresso invertente dell'amplificatore operazionale;
• assicurarsi che i conduttori degli ingressi invertente e non invertente dell'amplificatore operazionale non siano paralleli tra loro su una lunga distanza;
• cerca di evitare di usare via inutili come la loro stessa induttanza può portare a ulteriori problemi;
• se possibile, non eseguire i conduttori ad angolo retto e smussare i vertici degli angoli.

Interscambio:

• utilizzare i tipi corretti di condensatori per sopprimere il rumore nell'alimentatore;
• Per sopprimere le interferenze e il rumore a bassa frequenza, utilizzare condensatori al tantalio sul connettore di ingresso dell'alimentazione;
• Utilizzare condensatori ceramici sul connettore di alimentazione in ingresso per sopprimere interferenze e rumore ad alta frequenza;
• utilizzare condensatori ceramici su ciascun pin di alimentazione del microcircuito; se necessario, utilizzare più condensatori per diverse gamme di frequenza;
• se si verifica eccitazione nel circuito, è necessario utilizzare condensatori con un valore di capacità inferiore e non grande;
• in casi difficili nei circuiti di potenza, utilizzare resistori collegati in serie di bassa resistenza o induttanza;
• I condensatori di disaccoppiamento dell'alimentazione analogici devono essere collegati solo a terra analogica, non digitale.

Quando si progettano PCB a prezzo ottimizzato, sorgono una serie di domande chiave. Sebbene l'obiettivo originale possa essere quello di progettare il PCB più piccolo possibile, questa potrebbe non essere la soluzione più economica per l'intero sistema. È possibile ridurre le dimensioni del PCB aumentando il numero di strati PCB, che a sua volta porta a problemi EMC che possono comportare costi enormi nel corso di un progetto.

Interferenza elettromagnetica, EMI o compatibilità elettromagnetica, l'EMC è un fattore chiave nella progettazione dei circuiti stampati. Garantire l'EMC per un dispositivo nel suo insieme può essere estremamente costoso se lo sviluppatore ha tagliato gli angoli nella progettazione e nella produzione di circuiti stampati, quindi alcuni approcci per risparmiare sui costi devono essere scartati all'inizio. Se i componenti interagiscono con l'EMI o emettono EMI, sarà costoso soddisfare i requisiti EMC durante la fase di test.

Mentre una scheda a quattro strati è considerata l'equilibrio ottimale tra protezione EMI e tracciamento della scheda, è spesso possibile progettare una scheda a due strati con le stesse specifiche utilizzando strumenti di routing PCB gratuiti come PCB DesignSpark. Ciò fornisce una significativa riduzione del costo di produzione di un circuito stampato senza influenzare ulteriori test.

I percorsi di ritorno del segnale sono il problema più impegnativo durante il routing dei PCB. Sarebbe abbastanza difficile tracciare la massa di ritorno sotto ogni traccia collegata al pin del segnale del microcontrollore, ma questo è esattamente ciò che fornisce una scheda a quattro strati con un piano di massa. Non importa dove vanno i binari, c'è sempre un percorso di ritorno al suolo sottostante.

La prestazione più vicina alla terra su una scheda a doppio strato è la griglia di terra, che riduce le emissioni EMI dai percorsi del segnale. Ridurre l'area del loop instradando il percorso di ritorno sotto il percorso del segnale è il modo più efficace per risolvere questo problema e la creazione di una griglia di terra è il passaggio più importante (dopo aver pianificato il posizionamento) nell'instradamento del PCB.

La generazione di un reticolo crea una superficie

La generazione di reticoli è una tecnica chiave per le prestazioni EMC nelle schede a doppio strato. Proprio come una rete elettrica, è una rete di connessioni rettangolari tra conduttori messi a terra. Questo crea efficacemente un piano di massa che fornisce la stessa riduzione del rumore EMI della scheda a 4 strati ed emette efficacemente il piano di massa utilizzato nella scheda a 4 strati per fornire un miglioramento EMC creando un percorso di ritorno a terra sotto ogni traccia di segnale e riducendo l'impedenza tra il microcontrollore e il regolatore di tensione.

La generazione del reticolo viene eseguita espandendo le tracce di terra e creando piani conduttivi messi a terra per creare una rete di collegamenti a terra sull'intera superficie del PCB. Ad esempio, se un PCB ha tracce prevalentemente dello strato superiore che corrono verticalmente e tracce dello strato inferiore che corrono prevalentemente orizzontalmente, ciò già degrada le condizioni per tracciare i percorsi di ritorno a terra sotto i fili di segnale, che di solito avviene in due fasi:

• Innanzitutto, tutti i conduttori di messa a terra vengono espansi per occupare lo spazio maggiore sul PCB;
• quindi tutto lo spazio libero rimanente viene riempito con una superficie messa a terra.

L'obiettivo di questo approccio è generare quanto più reticolo possibile su un PCB a due strati. Piccole modifiche al layout del PCB possono consentire connessioni aggiuntive per aumentare l'area della griglia di messa a terra.

Zonizzazione PCB

La suddivisione in zone del PCB è un'altra tecnologia che può essere utilizzata per ridurre il rumore e l'EMI su un PCB e quindi ridurre la necessità di strati PCB aggiuntivi. Questa tecnologia ha lo stesso significato di base della pianificazione del posizionamento dei componenti, che è il processo di posizionamento dei componenti su una scheda vuota prima di instradare i cavi. La suddivisione in zone di un PCB è un processo leggermente più complesso per posizionare funzionalità simili nella stessa area di un PCB, piuttosto che mescolare insieme componenti funzionalmente diversi. La logica ad alta velocità, inclusi i microcontrollori, è posizionata il più vicino possibile all'alimentatore, i componenti lenti sono posizionati più lontano e i componenti analogici più lontani. Questo approccio ha un impatto significativo sull'EMC del circuito stampato.

Con questa disposizione, la logica ad alta velocità ha un effetto minore su altri conduttori di segnale. È particolarmente importante che l'anello di cristallo si trovi lontano da circuiti analogici, segnali a bassa velocità e connettori. Questa regola si applica sia ai circuiti stampati che al posizionamento dei componenti all'interno di un dispositivo. Dovrebbero essere evitati gli accordi che posizionano fasci di cavi attorno a un risonatore o microcontrollore, poiché questi cavi raccolgono il rumore e lo portano ovunque. Pertanto, durante la suddivisione in zone, viene determinata anche la posizione dei connettori sul circuito stampato.

Strumenti di sviluppo PCB

Sono disponibili molti strumenti di sviluppo per supportare la progettazione tenendo presente l'ottimizzazione EMC. Uno di questi mezzi I PCB DesignSpark sono le versioni più recenti che supportano il controllo delle regole di progettazione (DRC) durante l'instradamento anziché l'esecuzione di un controllo post-traccia. Ciò è particolarmente utile quando si ottimizza il PCB per i costi, poiché eventuali conflitti o errori vengono immediatamente segnalati e possono essere risolti. Naturalmente, questi controlli dipendono dalla completezza delle informazioni specificate dal progettista, ma questo approccio consente di accelerare il processo di tracciamento e quindi di liberare tempo per altre questioni importanti.

Nella versione 5 DesignSpark PCB Online Design Rule Checker verifica tutti i componenti che sono stati aggiunti e trasferiti come risultato di operazioni di modifica interattive. Ad esempio, vengono controllati tutti i fili collegati a un componente spostato e tutti i fili aggiunti dall'instradamento manuale.

La versione 5 aggiunge anche il supporto bus in modo che i conduttori possano essere facilmente raggruppati e instradati insieme. Invece di disegnare tutte le connessioni in un progetto e collegarle a ciascun pin, il progettista può creare un design meno ingombrante con i bus aggiungendo connessioni pin del componente al bus che trasporta il segnale.

Figura 1: aggiunta di bus a DesignSpark PCB versione 5

I pneumatici possono essere aperti o chiusi. Un bus chiuso è una raccolta di nomi di filo predefiniti per un dato bus e solo questi fili possono essere collegati a un dato bus, mentre un bus aperto può includere qualsiasi filo.

Sebbene queste funzionalità abbiano senso per il routing del bus, possono essere utilizzate per instradare altri conduttori attorno al PCB. Questa capacità di utilizzare bus nei circuiti può aiutare a rendere un progetto più semplice e chiaro raggruppando più conduttori ad alta EMI insieme ai conduttori di ritorno a terra circostanti, riducendo così l'EMI sulla scheda in fase di progettazione. Una buona regola pratica è quella di non instradare mai i conduttori EMI all'esterno della scheda, il che può essere complicato per le piccole schede a doppio strato. La rimozione di circuiti non EMI da posizioni come connettori, circuiti risonatori, relè, driver di relè in cui possono essere indotte interferenze elettromagnetiche in questi circuiti aiuta anche a migliorare la compatibilità elettromagnetica.

Conclusione

Progettare un PCB con i tempi di inattività necessari per contenere i costi è probabilmente più difficile che sfruttare la ricchezza di una scheda multistrato.

Alcuni problemi EMC possono essere risolti utilizzando condensatori di blocco e sfere di ferrite per sopprimere eventuali segnali che potrebbero essere emessi, ma ciò aggiunge complessità alla progettazione e aumenta i costi di produzione. Se i problemi EMI ed EMC possono essere ridotti al minimo con regole di progettazione appropriate che utilizzano la suddivisione in zone e la diafonia, la generazione di rete elettrica e di terra può fornire lo stesso livello di schermatura in una scheda a due strati possibile in un design a quattro o sei strati. Ciò non solo riduce il costo di produzione della scheda, ma migliora anche l'affidabilità e le prestazioni, inclusa l'EMC, riducendo così il costo del ciclo di vita dell'apparecchiatura.