Transcript TEHNOLOGIA SISTEMELOR ELECTRONICE

Cursul nr.7

Proiectarea PCB pentru integritatea
semnalului
◦ Aspecte de proiectare a circuitelor, nelegate de PCB
Layout
◦ Aspecte de proiectare a circuitelor, legate de PCB
Layout
TSE - Cursul nr. 7
4/9/2015
2



Restrictiile in proiectarea circuitului sunt in
sarcina inginerului proiectant de circuit.
Unele aspecte legate de proiectarea
circuitelor trebuie mentionate deoarece,
simptomele unei proiectari defectuoase, pot
fi usor confundate cu probleme de proiectare
a PCB.
Aceste aspecte sunt:
◦ Zgomotul
◦ Distorsiunile
◦ Raspunsul in frecventa
TSE - Cursul nr. 7
4/9/2015
3


Reprezinta, in general, orice semnal care
interfereaza cu semnalul de interes (util).
Poate fi:
◦ Zgomot care nu este rezultat al proiectarii PCB;
◦ Zgomot care are legatura cu modul de proiectare a
PCB: diafonia (crosstalk) si oscilatiile (ringing).

In general, se pot evidentia 2 categorii de
zgomot:
◦ Zgomotul de fond;
◦ Zgomotul intrinsec al componentelor.
TSE - Cursul nr. 7
4/9/2015
4

Sunt 4 tipuri de zgomot intrinsec:
◦
◦
◦
◦
Zgomot
Zgomot
Zgomot
Zgomot
termic (thermal noise)
de alice (shot noise)
de contact (contact noise)
tip floricele de porumb (popcorn noise)
TSE - Cursul nr. 7
4/9/2015
5





Se mai numeste si zgomot Johnson
Se datoreaza miscarii electronilor in materiale
conductoare
Apare in materialele care prezinta o
rezistenta la curgerea curentului: rezistoare si
dispozitive semiconductoare
Este o functie de temperatura.
Este constant functie de frecventa = zgomot
alb.
TSE - Cursul nr. 7
4/9/2015
6


Se datoreaza barierelor de potential si este
caracteristic dispozitivelor semiconductoare
Este constant functie de frecventa = zgomot
alb.
TSE - Cursul nr. 7
4/9/2015
7




Se mai numeste si zgomot de 1/f;
Se datoreaza contactelor imperfecte din
conectoare si lipituri;
Nu este constant functie de frecventa, avand
valori foarte mari la frecvente joase.
Protectia impotriva acestui tip de zgomot se
poate realiza prin utilizarea unor conectoare
de calitate si efectuarea de lipituri foarte
bune.
TSE - Cursul nr. 7
4/9/2015
8




I se mai spune si zgomot de explozie
Este proportional cu 1/f2
Este mai rau in circuite cu impedanta mare
Se datoreaza defectelor de fabricatie din
dispozitivele semiconductoare si circuitele
integrate
TSE - Cursul nr. 7
4/9/2015
9



Notiunea de distorsiuni este mai mult legata
de circuitele analogice datorita naturii
continue a semnalelor.
In circuitele analogice, este important orice
semnal cuprins intre limitele tensiunilor de
alimentare.
In circuitele digitale semnalele sunt
discontinue, doar nivel scazut sau nivel inalt,
valorile intermediare nu au importanta.
TSE - Cursul nr. 7
4/9/2015
10


Distorsiunile unui semnal sinusoidal apar
atunci cand fie se limiteaza semnalul, fie apar
inversiuni de faza.
De exemplu, limitarea amplitudinii de semnal
la AO este impusa de:
◦ Sursele de alimentare
◦ Capabilitatile de comanda
◦ Raspunsul in frecventa
In cazul prelucrarii semnalelor sinusoidale, la valori
mari la iesire, mai mari decat alimentarea, apare un
semnal dreptunghiular (trapezoidal).
TSE - Cursul nr. 7
4/9/2015
11
Un semnal dreptunghiular este bogat in armonici
impare, dominanta fiind armonica a 3-a.
Daca amplitudinea semnalului de intrare depaseste
alimentarea, apar distorsiuni de limitare (bogate in
armonica a 3-a) la unele AO in timp ce la altele –
inversiuni de faza care determina, de asemenea,
distorsiuni armonice.

Aceste probleme sunt determinate de
proiectarea de circuit si nu reprezinta greseli
de proiectare PCB. Este bine sa fie cunoscute
pentru a nu le confunda cu probleme de
proiectare a PCB.
TSE - Cursul nr. 7
4/9/2015
12

Si oscilatiile (ringing) produc componente
nedorite de frecventa, la fel ca distorsiunile
armonice, cauza lor fiind reflexiile produse de
trasee care au impedante inegale, aspect care
depinde de proiectarea PCB.
TSE - Cursul nr. 7
4/9/2015
13


Limitare de frecventa au atat circuitele
analogice cat si cele digitale.
In cazul circuitelor digitale
◦ daca se ating limitele maxime de frecventa, atunci
nivelul semnalului poate creste sau descreste
inainte ca portile sa-si modifice starea.
◦ Rezultatul este ca semnalul pare atenuat
◦ Este aspect de proiectare a circuitului; trebuie alese
componente care sa satisfaca restrictiile.
TSE - Cursul nr. 7
4/9/2015
14


In cazul circuitelor analogice, la cresterea
frecventei, semnalul de iesire este atenuat si
apar distorsiuni de forma, semnalul devenind
triunghiular (limitare de SR).
Raspunsul in frecventa este functie de:
◦ SR-ul amplificatorului,
◦ Banda la -3dB,
◦ Produsul amplificare-banda.

Aspectele trebuie tratate la nivelul proiectarii
de circuit, inainte de proiectarea PCB.
TSE - Cursul nr. 7
4/9/2015
15

Cuprinde
◦
◦
◦
◦
Interferenta electromagnetica si diafonia (crosstalk)
Campuri magnetice si cuplaje inductive
Inductanta buclei
Campuri electrice si cuplaje capacitive
TSE - Cursul nr. 7
4/9/2015
16
In proiectarea PCB trebuie avute in vedere 3
obiective pentru asigurarea integritatii
semnalelor :
1. PCB-ul sa fie imun la interferentele produse
de alte sisteme;
2. PCB-ul sa nu produca emisii care sa
dauneze altor sisteme;
3. PCB-ul sa poata asigura calitatea dorita a
semnalelor.

TSE - Cursul nr. 7
4/9/2015
17

Zgomotul electromagnetic poate fi indus din alte
sisteme sau poate fi produs de sistemul proiectat si
sa radieze spre alte sisteme precum si spre cel
propriu:
TSE - Cursul nr. 7
4/9/2015
18


Capacitatea sistemelor de a “functiona
armonios impreuna” se numeste
compatibilitate electromagnetica (EMC).
FCC (Federal Communications Commission) a
stabilit reguli pentru multe tipuri de sisteme
in ceea ce priveste interferentele
electromagnetice (EMI) si EMC care depind de
aplicatia in care se include PCB-ul proiectat.
TSE - Cursul nr. 7
4/9/2015
19


In 1820 Faraday si Henry au aratat ca un
curent electric variabil care trece printr-un
conductor, induce in conductorul vecin un
curent electric.
40 de ani aproximativ mai tarziu, Maxwell a
aratat ca un camp electric variabil produce
camp magnetic.
TSE - Cursul nr. 7
4/9/2015
20

In jurul unui conductor parcurs de curent
apare un camp magnetic de intensitate B:
0 I
B
2 r
B [Wb/m2]
0=4πx10-7Wb/Am
I [A]
r [m]
TSE - Cursul nr. 7
4/9/2015
21

Campul magnetic total printr-o suprafata A
se numeste flux magnetic,  [Wb]
  BA cos 

unde  este unghiul dintre B si A.
Tensiunea electromotoare indusa:
d
E
dt
Semnul minus este consecinta a legii lui Lenz.
TSE - Cursul nr. 7
4/9/2015
22



Legea lui Lenz: t.e.m. indusa intr-un
conductor produce in el un curent care
creeaza un flux magnetic ce se opune
modificarii fluxului magnetic. Efectul se
numeste autoinductie.
Autoinductia limiteaza viteza cu care poate
varia curentul printr-un conductor.
Autoinductia face ca o bobina sa aiba o
inductanta care, in circuitele analogice, se
opune curentului alternativ iar in circuitele
digitale unor timpi rapizi de crestere.
TSE - Cursul nr. 7
4/9/2015
23

Inductanta L se scrie
N m
L
I

si este proportionala cu numarul de spire N
(N=1 pentru un traseu PCB si calea lui de
intoarcere) si fluxul magnetic si invers
proportionala cu curentul I.
TSE - Cursul nr. 7
4/9/2015
24

Daca un al doilea conductor este vecin cu primul
prin care trece curent, o parte din fluxul magnetic
este simtit in cel de al 2-lea conductor:
TSE - Cursul nr. 7
4/9/2015
25


O variatie in timp a curentului prin primul
conductor determina o variatie in timp a
campului magnetic care actioneaza asupra
celui de al doilea conductor.
Tensiunea Eg indusa in conductorul 2
determina un curent cu sens opus celui din
conductorul 1.
TSE - Cursul nr. 7
4/9/2015
26


Acest curent produce un al doilea camp
magnetic, opus primului, care, la randul lui
induce o tensiune in primul conductor.
Fluxul magnetic care trece inainte si inapoi
intre cele doua conductoare se numeste
inductie mutuala.
TSE - Cursul nr. 7
4/9/2015
27


Diafonia (crosstalk) apare atunci cand
curentul printr-un traseu al PCB induce
tensiune intr-un traseu de semnal vecin.
Diafonia genereaza zgomot in traseul
adiacent, motiv pentru care trebuie eliminata.
TSE - Cursul nr. 7
4/9/2015
28


Daca al doilea conductor al PCB-ului este
format dintr-un plan de masa, este bine
pentru ca astfel se reduce inductanta
traseului si inductanta de bucla a circuitului.
Este mai corect sa se numeasca plan de
intoarcere decat plan de masa.
TSE - Cursul nr. 7
4/9/2015
29


Curentul poate curge doar printr-un circuit
inchis.
Fiecare conductor prin care trece curent
produce in jurul lui camp magnetic :
TSE - Cursul nr. 7
4/9/2015
30

Relatia inductantei:
unde
L  n 2 Al
◦ n=numarul de spire
◦ Al=volumul ocupat de circuit
◦ =permeabilitatea relativa a materialului in care
exista circuitul. Pentru majoritatea materialelor
folosite la PCB =1.

Inductanta depinde de geometria circuitului.
Astfel, pentru volum mic rezulta inductanta
de bucla mai mica.
TSE - Cursul nr. 7
4/9/2015
31

Metoda de reducere a inductantei de bucla:
◦ traseul de intoarcere a semnalului sa fie pozitionat
in imediata apropiere a traseului de semnal.
TSE - Cursul nr. 7
4/9/2015
32



Daca se reduce inductanta de bucla L, atunci
se reduce si reactanta inductiva XL=2πfL si se
reduc caderile de tensiune si diafonia.
XL se mentine la valori minime daca traseul de
intoarcere a semnalului este cat mai intins
posibil (cuplaj maxim si sectiune transversala
minima).
Modul cel mai simplu de a realiza acest lucru
consta in utilizarea unui plan pentru traseul
de intoarcere.
TSE - Cursul nr. 7
4/9/2015
33


Una din functiile cele mai importante ale
planului de intoarcere este sa reduca
inductanta de bucla.
Reducand inductanta de bucla si campul
magnetic aferent lui, se asigura o cale de
intoarcere de impedanta joasa pentru traseele
de alimentare si semnal si se reduce diafonia
in conductoarele vecine.
TSE - Cursul nr. 7
4/9/2015
34

Liniile de camp in cazul unui conductor
(traseu) incarcat cu sarcini electrice (a),
respectiv in cazul a doua conductoare (traseu
de alimentare plus calea de intoarcere) – (b)
TSE - Cursul nr. 7
4/9/2015
35


Conform legii Ampere-Maxwell campurile
magnetice sunt produse atat de curentii de
conductie cat si de campurile electrice
variabile.
Astfel, pentru minimizarea diafoniei, este de
interes sa nu se lase ca traseele sa radieze
campuri electrice in mod necontrolat iar caile
de semnal si de alimentare sa fie plasate cat
mai aproape de traseele lor de intoarcere.
TSE - Cursul nr. 7
4/9/2015
36

Pornind de la relatia condensatorului plan:
C
0 A
d
si inlocuind C in relatia reactantei capacitive,
se obtine
1
d
XC 

2fC 2f 0 A
TSE - Cursul nr. 7
4/9/2015
37
XC 

d
2f 0 A
Daca se mentin 2 trasee de semnal, fara
conexiune intre ele, la distanta suficient de
mare (valori mari ale d), atunci reactanta
capacitiva dintre trasee creste si cuplajul
(diafonia) scade.
TSE - Cursul nr. 7
4/9/2015
38