TEHNOLOGIA SISTEMELOR ELECTRONICE

1. TEHNOLOGIA SISTEMELOR ELECTRONICE Cursul nr.7

2. Probleme tratate • 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

3. Aspecte de proiectare a circuitelor, nelegate de PCB Layout • 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. Zgomotul • 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

5. Zgomotul intrinsec • Sunt 4 tipuri de zgomot intrinsec: • Zgomot termic (thermal noise) • Zgomot de alice (shot noise) • Zgomot de contact (contact noise) • Zgomot tip floricele de porumb (popcorn noise) TSE - Cursul nr. 7

6. 1. Zgomotul termic • 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

7. 2. Zgomotul de alice • Se datoreaza barierelor de potential si este caracteristic dispozitivelor semiconductoare • Este constant functie de frecventa = zgomot alb. TSE - Cursul nr. 7

8. 3. Zgomotul de contact • 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

9. 4. Zgomotul tip floricele de porumb • 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

10. Distorsiunile • 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

11. Distorsiunile • 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

12. Distorsiunile 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

13. Distorsiunile • 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

14. Raspunsul in frecventa • 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

15. Raspunsul in frecventa • 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

16. Aspecte de proiectare a circuitelor, legate de PCB Layout • Cuprinde • Interferenta electromagnetica si diafonia (crosstalk) • Campuri magnetice si cuplaje inductive • Inductanta buclei • Campuri electrice si cuplaje capacitive TSE - Cursul nr. 7

17. Aspecte de proiectare a circuitelor, legate de PCB Layout • In proiectarea PCB trebuie avute in vedere 3 obiective pentru asigurarea integritatii semnalelor : • PCB-ul sa fie imun la interferentele produse de alte sisteme; • PCB-ul sa nu produca emisii care sa dauneze altor sisteme; • PCB-ul sa poata asigura calitatea dorita a semnalelor. TSE - Cursul nr. 7

18. Interferenta electromagnetica si diafonia (crosstalk) • 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

19. Interferenta electromagnetica si diafonia (crosstalk) • 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

20. Interferenta electromagnetica si diafonia (crosstalk) • 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

21. Campuri magnetice si cuplaje inductive • In jurul unui conductor parcurs de curent apare un camp magnetic de intensitate B: B [Wb/m2] 0=4πx10-7Wb/Am I [A] r [m] TSE - Cursul nr. 7

22. Campuri magnetice si cuplaje inductive • Campul magnetic total printr-o suprafata A se numeste flux magnetic,  [Wb] unde  este unghiul dintre B si A. • Tensiunea electromotoare indusa: Semnul minus este consecinta a legii lui Lenz. TSE - Cursul nr. 7

23. Campuri magnetice si cuplaje inductive • 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

24. Campuri magnetice si cuplaje inductive • Inductanta L se scrie • 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

25. Campuri magnetice si cuplaje inductive • 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

26. Campuri magnetice si cuplaje inductive • 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

27. Campuri magnetice si cuplaje inductive • 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

28. Campuri magnetice si cuplaje inductive • 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

29. Campuri magnetice si cuplaje inductive • 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

30. Inductanta de bucla • Curentul poate curge doar printr-un circuit inchis. • Fiecare conductor prin care trece curent produce in jurul lui camp magnetic : TSE - Cursul nr. 7

31. Inductanta de bucla • Relatia inductantei: unde • 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

32. Inductanta de bucla • 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

33. Inductanta de bucla • 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

34. Concluzie importanta • 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

35. Campuri electrice si cuplaje capacitive • 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

36. Campuri electrice si cuplaje capacitive • 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

37. Campuri electrice si cuplaje capacitive • Pornind de la relatia condensatorului plan: si inlocuind C in relatia reactantei capacitive, se obtine TSE - Cursul nr. 7

38. Campuri electrice si cuplaje capacitive • 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