Transcript TEHNOLOGIA SISTEMELOR ELECTRONICE
Cursul nr.9
◦ ◦ Proiectarea PCB pentru integritatea semnalului Caracteristici electrice ale PCB Impedanta caracteristica Reflexii Oscilatii (ringing) Trasee electrice lungi Terminatii ale liniilor de transmisie Consideratii electrice la rutarea PCB Plasarea componentelor Aranjarea straturilor unui PCB Condensatoare de decuplare Latimea traseelor in functie de curent TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 2
Pentru minimizarea diafoniei (cross talk) trebuie: ◦ ◦ Minimizata inductanta traseului (de bucla) Maximizata capacitatea fata de planul de masa Se pune intrebarea: cum influenteaza aceste actiuni impedanta caracteristica, Z 0 a traseului?
TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 3
Modelul unei linii de transmisie, cu elemente concentrate: TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 4
Pentru inceput, se considera toate condensatoarele descarcate si toti curentii nuli; La t=0 se inchide comutatorul si prin R S semnalul V S la linia de transmisie; Initial C 1 I=V S /R S .
se aplica se comporta ca scurtcircuit si astfel TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 5
Curentul I incepe sa incarce condensatorul C 1 , ceea ce va determina aparitia curentului de intoarcere prin borna inferioara a condensatorului (curent de deplasare).
Impedanta instantanee este Z C1 =V Line /I.
TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 6
Pe masura ce condensatorul C 1 se incarca, incepe sa treaca curent si prin bobina L 1 .
Fiecare pereche de inductante (L L 4 s.a.m.d.) este cuplata mutual, astfel incat prin L sursa.
2 1 si L 2 , L 3 circula un curent de intoarcere la si TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 7
Incepe si C 2 sa se incarce (+ pe armatura superioara, - pe cea inferioara).
La un moment dat, C 1 ajunge la incarcarea maxima V C1 =V Line =V S -IR S .
Prin C 1 nu mai curge curent si impedanta instantanee devine Z C1 = ∞ iar Z C2 =V Line /I.
TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 8
Asemanator, toate condensatoarele ajung sa fie incarcate cu V Cn =V Line .
Impedanta instantenee este Z Cn =V Line /I Cn tinde la infinit cand fiecare condensator este incarcat la maxim deoarece curentul de transport scade la zero.
si TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 9
Impedanta liniei, vazuta dinspre sursa de semnal V s , este Z Line =V Line /I=V Line /I Cn si este dinamica, se deplaseaza pe linie.
Viteza cu care se deplaseaza impedanta instantanee pe linie depinde de inductanta si capacitatea de pe fiecare sectiune.
TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 10
Deoarece impedanta fiecarei sectiuni este aceeasi de-a lungul liniei, impedanta instantanee este denumita impedanta caracteristica a liniei de transmisie si se noteaza cu Z 0 .
TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 11
electronii se misca incet (1cm/s) dar undele electromagnetice se deplaseaza rapid (aproximativ viteza luminii).
Viteza undei electromagnetice depinde de cat de repede se formeaza sau se disipa campurile magnetice in inductoare si cele electrice in condensatoare, fenomen influentat de proprietatile de material si geometrice ale PCB-urilor prin care trece unda.
TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 12
Viteza campului electromagnetic intr-un material dat se scrie:
v EM
1 0
r
0
r
unde ε 0 =8,89x10 -12 F/m este permitivitatea electrica a vidului ε r este permitivitatea relativa a materialului μ 0 =4πx10 -7 H/m este permeabilitatea vidului μ r este permeabilitatea relativa a materialului TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 13
Viteza luminii se exprima
c
1 0 0
v EM
c
1
r
r
Permeabilitatea relativa este 1 pentru majoritatea polimerilor (inclusiv pentru FR4), astfel ca:
v EM
c
1
r
Adica, viteza campului electromagnetic in PCB variaza invers proportional cu permitivitatea relativa ε r .
TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 14
In practica, relatiile de determinare a inductantelor, a capacitatilor si a impedantelor caracteristice sunt complexe, dependente de geometria circuitului.
Standardele acopera majoritatea situatiilor posibile: TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 15
TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 16
TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 17
TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 18
TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 19
Ce se intampla cand unda de tensiune V Line ajunge la impedanta de terminatie Z T ?
Raspunsul difera in functie de Z T .
TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 20
Cazul: Z T circuit deschis Cand se incarca si ultimul condensator (C 5 ) si V Line ajunge la Z T (→ ), atunci toate condensatoarele sunt incarcate si curentul ar trebuie sa scada la zero.
Acest lucru nu se intampla deoarece toti inductorii sunt parcursi de curentul I Line si ei nu permit ca I Line se opreasca instantaneu.
Campul magnetic din L 7 si L 8 (cuplate mutual) incearca sa mentina curentul si incarca C 5 tensiune peste V Line . Fenomenul se propaga in sensul spre sursa de semnal determinanad cresterea tensiunii de pe fiecare condensator. Apare astfel unda reflectata.
sa cu o mica TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 21
Cazul: Z
T
circuit deschis
( continuare ) Amplitudinea si polaritatea undei reflectate sunt descrise cu ajutorul coeficientului de reflexie:
Z T Z T
Z Line
Z Line
si are valoarea cuprinsa intre -1 si 1.
TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 22
Cazul: Z
T
circuit deschis
Daca Z T >Z Line ( continuare ) (Z T → ), atunci
Z T Z T
1 ceea ce inseamna ca unda reflectata va avea aceeasi amplitudine si aceeasi polaritate ca unda incidenta.
TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 23
Cazul: Z
T
scurtcircuit
La inceput lucrurile decurg la fel ca in explicatiile generale. Diferente apar cand se ajunge la capatul liniei. Deoarece Z T =0 si inductoarele L 7 curentul, prin Z T si L 8 vor sa mentina circula I Line .
Caderea de tensiune pe un inductor parcurs de curent constant fiind egala cu zero, C si, la scurt timp tensiunea pe C 4 4 vede scurtcircuitul si incepe sa se descarce ajunge la zero (la fel ca pe C 5 si Z T ). TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 24
Cazul: Z
T
scurtcircuit (
continuare
)
La fel se descarca si celelalte condensatoare si fiecare pereche de inductoare isi mentine curentul pana cand toate condensatoarele se descarca. La final, V Line =V ZT =0 si astfel Z Line =0/I Line =0Ω iar I Line =V S /R S .
Unda se reflecta cu aceeasi amplitudine dar polaritate negativa. TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 25
Cazul: Z
T
scurtcircuit (
In acest caz Z T si rezulta ρ=-1 Z Line Z Line 1 TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 26 T Se presupune ca Z Cn =50 Ω, R S =50 Ω. Deoarece Z Cn =50 Ω rezulta ca si Z Line =50 Ω. Z T fiind egal cu Z Line , rezulta ca V Line =1/2V s . Daca Z T este pur rezistiva, nu se reflecta nicio unda de tensiune deoarece nu apar modificari ale tensiunii pe condensatoare si nici ale curentului prin inductoare. Z T Z Line Z T 0 Z Line 0 TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 27 Daca sursa de semnal (driver) si sarcina nu au impedanta adaptata la cea a liniei de transmisie sau impedanta caracteristica a liniei de transmisie nu este adaptata la impedantele driver-ului sau sarcinii, apar reflexii. Intr-un punct anume, de exemplu la sarcina, reflexiile repetate se manifesta ca oscilatii. TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 28 Marele dezavantaj al ringing-ului este ca nu se poate controla tensiunea din niciun punct. Pot apare supra sau subcresteri. Supracresterile pot distruge anumite dispozitive, daca se depasesc tensiunile limita si determina semnale mai mari de interferenta electromagnetica. TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 29 In circuitele digitale, supra si subcresterile dau comenzi de comutare false, daca se depasesc tensiunile de prag. In circuitele analogice, interactiunea dintre undele continue de semnal si reflexiile acestora determina aparitia undelor stationare . Amplitudinea si frecventa oscilatiei (ringing) depind de viteza undei prin linia de transmisie, de lungimea liniei si de coeficientul de reflexie de la fiecare impedanta de discontinuitate. TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 30 Pentru explicatii se foloseste desenul TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 31 RT=timpul de crestere a semnalului (rise time) = timpul necesar tranzitiei de la minim la maxim a semnalului de la iesirea circuitului de comanda (driver); L trace =lungimea traseului (liniei de transmisie) de pe PCB; v p =viteza de propagare a undei, determinata de Z 0 , care, la randul ei, este determinata de ε dimensiunile liniei de transmisie (latimea traseului si distanta pana la planul de masa); r si de TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 32 PT=timpul de propagare = timpul necesar ca tranzitia sa se propage de la un capat la celalt al liniei de transmisie; L SE =intinderea spatiala a tranzitiei TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 33 Relatii: PT L trace v p [unitati de timp] L SE v p RT [unitati de lungime] Daca L trace reflexie. >L SE , atunci impulsul incape, in intregime, in lungimea traseului si tensiunea reflectata va fi o copie scalata a impulsului, scalarea fiind stabilita de coeficientul de TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 34 Traseele unui PCB trebuie astfel proiectate incat timpii de propagare sa nu fie prea mari in comparatie cu timpul de crestere a semnalului util sau lungimea traseului sa nu fie mai mare decat intinderea spatiala a semnalului. Cand aceste conditii nu se pot indeplini, linia se numeste lunga electric si trebuie tratata ca o linie de transmisie. TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 35 Tratarea corecta a liniei de transmisie presupune adaptarea de impedanta pe intreaga lungime a liniei, atat cu sursa de semnal cat si cu sarcina, astfel neaparand reflexii. Majoritatea referintelor recomanda ca timpul de propagare pe linie sa fie mai mic decat jumatate din timpul de crestere a semnalului (PT<1/2RT) sau ca lungimea traseului sa fie mai mica decat jumatate din intinderea spatiala a semnalului (L trace <1/2L SE ). TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 36 Exemplu de linie scurta electric: TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 37 Pentru eliminarea reflexiilor trebuie asigurata adaptarea de impedanta. Trebuie sa se indeplineasca conditia R S =Z 0 =R L prin utilizarea unui rezistor in serie cu sursa de semnal si prin conectarea in paralel cu R L a unui rezistor. Rezistenta serie se determina cu relatia: R serie =Z 0 -R S . Rezistenta paralele se determina cu relatia: R paralel =(R L Z 0 )/(R L -Z 0 ). TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 38 Anterior, plasarea componentelor s-a facut din considerente de fabricabilitate iar acum se considera din punct de vedere a performantelor electrice. Cele doua considerente se completeaza, de obicei. In caz de conflict, consideratiile electrice au, uzual, prioritate fata de consideratiile mecanice. Plasarea componentelor din consideratii electrice este determinata de functia indeplinita de circuit. TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 39 Circuitele analogice sunt sensibile la zgomot si de aceea componentele din aceste circuite trebuie puse la un loc, cu trasee cat mai scurte si mentinand o cale cat mai dreapta pentru semnal (fara zig-zag-uri si treceri de pe o fata pe alta a PCB-ului). Si la circuitele digitale se recomanda gruparea componentelor care au acelasi rol si linii scurte (de exemplu, gruparea componentelor de viteza mare in vederea scurtarii traseelor). TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 40 ◦ ◦ ◦ Gruparea componentelor in cazul circuitelor care prelucreaza semnale mixte (analogice si digitale): Circuitele de putere si cele zgomotoase cat mai aproape de conectori. Se limiteaza astfel planul de intoarcere comun cu celelalte circuite de pe placa; Circuitele analogice se separa de cele digitale pentru a reduce efectul zgomotului de comutare asupra circuitelor analogice; Se recomanda plane de masa divizate si izolate (ca in fig.) TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 41 Plane de masa divizate si izolate in cazul PCB-urilor pentru semnale mixte: TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 42 Aranjarea straturilor si grosimea lor se stabilesc in momentul in care se face comanda pentru placa si nu in timpul rutarii PCB. Dar straturile si grosimea lor trebuie definite inainte de a lucra in Layout deoarece se stabilesc astfel numarul de straturi pe care se realizeaza layout-ul si numarul planelor de masa si de alimentare. TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 43 ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ Strategia de alegere a straturilor depinde si de capabilitatile fabricantului de PCB, de densitatea circuitului (de rutare si de componente), de frecventa (la circuite analogice), de timpul de crestere/descrestere a semnalului (la circuite digitale), de pretul acceptat al placii. TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 44 Exemple de aranjamente de straturi: 4 straturi TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 45 Exemple de aranjamente de straturi: 6 straturi TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 46 Exemple de aranjamente de straturi: 8 straturi TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 47 Exemple de aranjamente de straturi: 10 straturi TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 48 ◦ ◦ Indeplinesc 2 roluri importante: ◦ ◦ Scurtcircuitarea semnalelor de frecventa mare; Rezervoare de energie. Se folosesc 2 metode de rutare: Condensatorul de decuplare rutat inaintea trecerii la planul de alimentare (a); Rutarea mai intai a trecerii la planul de alimentare (b) TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 49 Metode de rutare: TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 50 Curentul care curge printr-un traseu determina incalzirea lui datorita pierderilor I 2 R. Traseele mai late prezinta rezistenta mai mica si sunt mai putin incalzite. Pentru a afla latimea minima a traseului care asigura incalzire minima, trebuie cunoscute valoarea maxima a curentului prin traseu, grosimea stratului de cupru, h . I si TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 51 Se poate utiliza relatia w 1 . 4 1 h k I T 0 . 421 1 . 379 unde ◦ w=latimea minima a traseului [ mils] ◦ h=grosimea stratului de cupru [oz/ft 2 ] ◦ ◦ I=curentul [A] k=un coeficient (k=0,024 pentru straturile interioare, k=0,048 pentru straturile exterioare) ◦ T=supracresterea permisa de temperatura [°C]. TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 52 Se poate folosi si graficul din figura: TSE - Cursul nr. 9 4/29/2020 53)
Cazul:
Z
=50 Ω