CONSIDERAZIONI GENERALI

A causa delle differenze significative tra i circuiti analogici e i circuiti 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 delle caratteristiche non ideali del PCB diventano particolarmente evidenti nei circuiti analogici ad alta frequenza, ma gli errori generali descritti in questo articolo possono influenzare le prestazioni dei dispositivi che funzionano anche nella gamma delle frequenze audio.

Lo scopo 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 risolvere i problemi che si presentano.

Circuito stampato - componente del circuito

Solo in rari casi è possibile posare il circuito stampato di un circuito analogico in modo tale che gli effetti che introduce non abbiano alcun effetto sul funzionamento del circuito. Allo stesso tempo, qualsiasi impatto di questo tipo può essere ridotto al minimo in modo che le caratteristiche del circuito analogico del dispositivo siano le stesse del modello e del prototipo.

Disposizione

I progettisti di circuiti digitali possono correggere piccoli errori sulla scheda prodotta aggiungendo 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 cavi in ​​eccesso. Possono e renderanno inutilizzabile l'intero circuito stampato.

È molto importante che un progettista di circuiti digitali che utilizzi questi metodi di correzione legga e comprenda il materiale contenuto in questo articolo con largo anticipo rispetto all'invio del progetto alla produzione. Un po' di attenzione alla progettazione e la discussione delle possibili opzioni non solo eviteranno che il PCB diventi un rottame, ma ridurranno anche i costi dovuti a errori in una piccola parte analogica del circuito. Trovare bug e risolverli può far perdere centinaia di ore. La prototipazione può ridurre questo tempo a un giorno o meno. Breadboard tutti i tuoi circuiti analogici.

Fonti di rumore e interferenza

Rumore e interferenze sono i principali elementi che limitano le caratteristiche qualitative dei circuiti. Le interferenze possono essere emesse da sorgenti o indotte su elementi del circuito. I circuiti analogici si trovano spesso su un circuito stampato insieme a componenti digitali ad alta velocità, inclusi i processori di segnale digitale (DSP).

I segnali logici ad alta frequenza creano significative interferenze in radiofrequenza (RFI). Il numero delle fonti di emissione di rumore è enorme: alimentatori chiave per sistemi digitali, telefoni cellulari, radio e televisione, alimentatori per lampade fluorescenti, personal computer, scariche di fulmini, ecc. Anche se il circuito analogico funziona nella gamma di frequenze audio, la RFI può creare un rumore notevole nel segnale di uscita.

CATEGORIE PCB

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. La soluzione più adatta e conveniente per il progettista sarà se il produttore del PCB si trova nelle vicinanze. In questo caso, è facile controllare la resistività e la costante dielettrica, i parametri principali del materiale del circuito stampato. Sfortunatamente, questo non è sufficiente e spesso è richiesta la conoscenza di altri parametri come l’infiammabilità, la stabilità alle alte temperature e l’igroscopicità. Questi parametri possono essere conosciuti solo dal produttore dei componenti utilizzati nella produzione dei circuiti stampati.

I materiali laminati sono designati dagli indici FR (resistente alla fiamma, resistenza all'accensione) 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 schede a circuiti stampati della categoria FR-1. Esistono molti esempi di circuiti stampati FR-1 che hanno subito danni termici a causa di componenti ad alta potenza. I PCB di questa categoria sono più simili al cartone.

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

Quando si sceglie un materiale PCB, 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 (rottura e scintille) e resistenza meccanica. Prestare attenzione anche alla temperatura di esercizio. I punti caldi possono verificarsi in luoghi inaspettati, ad esempio vicino a grandi circuiti integrati digitali che commutano ad alte frequenze. Se tali aree si trovano direttamente sotto i componenti analogici, l'aumento della temperatura potrebbe influire sulle prestazioni del circuito analogico.

Tabella 1

categoria	Componenti, commenti
FR-1	carta, composizione fenolica: pressatura e stampaggio a temperatura ambiente, elevata igroscopicità
FR-2	carta, composizione fenolica: applicabile per circuiti stampati monofaccia di elettrodomestici, basso coefficiente di assorbimento d'acqua
FR-3	carta, composizione epossidica: sviluppi con buone caratteristiche meccaniche ed elettriche
FR-4	fibra di vetro, composizione epossidica: eccellenti proprietà meccaniche ed elettriche
FR-5	fibra di vetro, composizione epossidica: elevata resistenza a temperature elevate, non infiammabile
G10	fibra di vetro, composizione epossidica: elevate proprietà isolanti, massima resistenza della fibra di vetro, bassa igroscopicità
G11	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 della pellicola del PCB. Questo parametro viene selezionato principalmente in base al valore massimo della corrente circolante. Se possibile, cerca di evitare l'uso di fogli molto sottili.

NUMERO DI STRATI DI CARTONE STAMPATO

Circuiti stampati a strato singolo

Circuiti elettronici molto semplici sono realizzati su schede a lato singolo utilizzando materiali economici in lamina (FR-1 o FR-2) e spesso hanno molti ponticelli, simili a schede a doppia faccia. Questo modo di creare circuiti stampati è consigliato solo per circuiti a bassa frequenza. Per i motivi che verranno descritti di seguito, i circuiti stampati su un solo lato sono altamente suscettibili alle interferenze. Un buon PCB a lato singolo è difficile da progettare per molte ragioni. Tuttavia, esistono buone schede di questo tipo, ma quando le sviluppi è necessario pensare molto in anticipo.

Circuiti stampati a doppio strato

Al livello successivo ci sono i circuiti stampati 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 dell'FR-4, poiché da questo materiale si ottengono fori nei circuiti stampati di migliore qualità. I circuiti su circuiti stampati a doppia faccia sono molto più facili da cablare. in due strati, è più semplice instradare le tracce che si intersecano. Tuttavia, l'attraversamento delle tracce non è consigliato per i circuiti analogici. Ove possibile, lo strato inferiore (bottom) deve essere assegnato al poligono di terra e il resto dei segnali deve essere instradato nello strato superiore (top). L'utilizzo di una discarica come autobus di terra offre numerosi vantaggi:

• il filo comune è il filo collegato più frequentemente nel circuito; quindi ha senso avere molti cavi comuni per semplificare il cablaggio.
• aumenta la resistenza meccanica della tavola.
• la resistenza di tutte le connessioni al filo comune è ridotta, il che, a sua volta, riduce il rumore e le interferenze.
• la capacità distribuita per ciascun circuito del circuito è aumentata, contribuendo a sopprimere il rumore irradiato.
• il poligono, che è uno schermo, sopprime le captazioni emesse dalle sorgenti situate ai lati del poligono.

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

Circuiti stampati multistrato

Una progettazione responsabile dei circuiti richiede circuiti stampati multistrato (MPB). Alcune ragioni per il loro utilizzo sono ovvie:

• lo stesso conveniente del bus a filo comune, del cablaggio del bus di alimentazione; se i poligoni su un livello separato vengono utilizzati come bus di alimentazione, è abbastanza semplice fornire alimentazione a ciascun elemento del circuito utilizzando i via;
• gli strati di segnale sono liberati dalle rotaie di alimentazione, il che facilita il cablaggio dei conduttori di 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 utilizzare i circuiti stampati multistrato, ce ne sono altri meno ovvi:

• migliore soppressione dei disturbi elettromagnetici (EMI) e radiofrequenza (RFI) grazie all'effetto di riflessione (effetto piano immagine), noto fin dai tempi di Marconi. Quando un conduttore è posizionato vicino ad una superficie conduttrice piana, la maggior parte delle correnti di ritorno ad alta frequenza fluiranno nel piano direttamente sotto il conduttore. La direzione di queste correnti sarà opposta alla direzione delle correnti nel conduttore. Pertanto, la riflessione del conduttore sul piano crea una linea di trasmissione del segnale. Poiché le correnti nel conduttore e nel piano sono uguali in intensità e opposte in direzione, si crea una certa riduzione dell'interferenza irradiata. L'effetto di riflessione funziona efficacemente solo con poligoni solidi indistruttibili (possono essere sia poligoni terra che poligoni alimentari). Qualsiasi violazione dell'integrità comporterà una riduzione della soppressione delle interferenze.
• ridurre il costo complessivo nella produzione su piccola scala. Anche se i circuiti stampati multistrato sono più costosi da produrre, la loro possibile emissione è inferiore a quella dei circuiti stampati a singolo e doppio strato. Pertanto, in alcuni casi, l'utilizzo di sole schede multistrato consentirà di soddisfare i requisiti di radiazione impostati durante lo sviluppo e di non eseguire test e test aggiuntivi. L'uso dell'MFP può ridurre il livello di rumore irradiato di 20 dB rispetto ai pannelli a due strati.

Ordine dei livelli

Per i progettisti inesperti, spesso c'è confusione sull'ordine ottimale degli strati del PCB. Prendiamo ad esempio una camera a 4 strati contenente due strati di segnale e due strati di poligoni: uno strato di terra e uno di potenza. Qual è l'ordine migliore dei livelli? Strati di segnale tra poligoni che fungeranno da schermi? Oppure rendere interni gli strati poligonali per ridurre l'interferenza degli strati di segnale?

Una cosa importante da tenere a mente quando si risolve questo problema è che spesso la posizione degli strati non ha molta importanza, perché i componenti si trovano ancora sugli strati esterni e i bus che alimentano i segnali ai loro terminali a volte passano attraverso tutti gli strati strati. Pertanto, eventuali effetti sullo schermo sono solo un compromesso. In questo caso è meglio occuparsi di creare una grande capacità distribuita tra i poligoni di potenza e quelli di terra, posizionandoli negli strati più interni.

Un altro vantaggio di avere gli strati di segnale all'esterno è la disponibilità di segnali per i test, nonché la possibilità di modificare le connessioni. Chiunque abbia mai modificato le connessioni dei conduttori situati negli strati interni apprezzerà questa opportunità.

Per i circuiti stampati con più di quattro strati, è una regola generale posizionare le tracce del segnale ad alta velocità tra la terra e il piano di potenza e lasciare gli strati esterni per quelli a bassa frequenza.

MESSA A TERRA

Dividere il terreno in parti analogiche e digitali è uno dei metodi più semplici ed efficaci per la soppressione del rumore. Uno o più strati di un circuito stampato multistrato sono solitamente allocati sotto uno strato di piani di massa. Se lo sviluppatore non è molto esperto o negligente, la terra della parte analogica sarà direttamente collegata a questi poligoni, ad es. la corrente di ritorno analogica utilizzerà lo stesso circuito della corrente di ritorno digitale. Gli allevatori automatici lavorano più o meno allo stesso modo e uniscono insieme tutte le terre.

Se si sottopone a lavorazione un circuito stampato precedentemente progettato con un unico poligono di terra che combina masse analogiche e digitali, è necessario prima separare fisicamente le masse sulla scheda (dopo questa operazione il funzionamento della scheda diventa quasi impossibile). Successivamente vengono effettuati tutti i collegamenti al piano di massa analogico dei componenti del circuito analogico (si forma la massa analogica) e al piano di massa digitale dei componenti del circuito digitale (si forma la massa digitale). E solo dopo, la massa digitale e quella analogica vengono combinate nella sorgente.

Altre regole di formazione del territorio:

• Le rotaie di alimentazione e di terra devono avere lo stesso potenziale CA., che implica l'uso di condensatori di disaccoppiamento e capacità distribuita.
• Evitare la sovrapposizione di poligoni analogici e digitali (Fig. 1). Posizionare le linee di alimentazione analogiche e i poligoni sopra il poligono di terra analogico (in modo simile per le linee di alimentazione digitali). Se in qualsiasi punto si verifica una sovrapposizione tra gli intervalli analogico e digitale, la capacità distribuita tra le aree sovrapposte creerà un accoppiamento CA e il rumore derivante dal funzionamento dei componenti digitali entrerà nel circuito analogico. Tali sovrapposizioni invalideranno l'isolamento del poligono.
  
• La separazione non significa isolamento elettrico della terra analogica dalla terra digitale (Figura 2). Devono essere collegati insieme in qualche nodo, preferibilmente uno, a bassa impedenza. Un sistema con messa a terra adeguato ha una sola terra, che è il terminale di terra per i sistemi alimentati dalla rete CA o la terra comune per i sistemi alimentati CC (come una batteria). Tutte le correnti di segnale e di alimentazione in questo circuito devono ritornare a terra in un unico punto, che fungerà da terra del sistema. Tale punto può essere l'output della custodia del dispositivo. È importante comprendere che si possono formare anelli di terra quando si collega la terra del circuito a più punti del pacchetto. La creazione di un unico punto di massa comune è uno degli aspetti più difficili della progettazione del sistema.
  
• Se possibile, separare i terminali dei connettori destinati a portare correnti di ritorno - le correnti di ritorno dovrebbero essere combinate solo nel punto di terra del sistema. L'invecchiamento dei contatti dei connettori, nonché la frequente disconnessione delle loro parti accoppiate, porta ad un aumento della resistenza dei contatti, pertanto, per un funzionamento più affidabile, è necessario utilizzare connettori con un certo numero di pin aggiuntivi. I complessi circuiti stampati digitali hanno molti strati e contengono centinaia o migliaia di conduttori. L'aggiunta di un altro conduttore raramente crea problemi, a differenza dell'aggiunta di ulteriori pin del connettore. Se questo fallisce allora è necessario realizzare sulla scheda due conduttori di corrente di ritorno per ogni circuito di potenza, adottando particolari precauzioni.
• È importante separare le linee del segnale digitale dai punti del PCB in cui si trovano i componenti analogici del circuito. Ciò comporta l'isolamento (schermatura) mediante poligoni, brevi percorsi del segnale analogico e un accurato posizionamento dei componenti passivi con bus digitali ad alta velocità e analogici critici adiacenti. I bus dei segnali digitali devono essere instradati attorno alle aree dei componenti analogici e non sovrapporsi alla terra analogica e ai bus e poligoni di potenza analogici. Se ciò non viene fatto, lo sviluppo conterrà un nuovo elemento imprevisto: un'antenna, la cui radiazione influenzerà componenti e conduttori analogici ad alta impedenza (Fig. 3).

• È una buona idea posizionare la parte analogica del circuito vicino alle connessioni I/O della scheda. I progettisti di PCB digitali che utilizzano circuiti integrati ad alta potenza spesso tendono a utilizzare sbarre larghe 1 mm e lunghe diversi centimetri per collegare componenti analogici, ritenendo che una bassa resistenza della traccia aiuterà a eliminare la diafonia. Ciò che si ottiene è un condensatore a film esteso, che raccoglierà segnali spuri da componenti digitali, massa digitale e alimentazione digitale, esacerbando il problema.

Un esempio di buon posizionamento dei componenti

La Figura 4 mostra una possibile disposizione di tutti i componenti della scheda, compreso l'alimentatore. Qui vengono utilizzati tre piani di terra/alimentazione separati e isolati: uno per la sorgente, uno per il circuito digitale e uno per il circuito analogico. I circuiti di terra e di potenza delle parti analogiche e digitali sono combinati solo nell'alimentatore. Il rumore ad alta frequenza viene filtrato nei circuiti di alimentazione tramite induttanze. In questo esempio, i segnali ad alta frequenza delle parti analogiche e digitali sono separati l'uno dall'altro. Un tale progetto ha un'altissima probabilità di un risultato favorevole, poiché garantisce un buon posizionamento dei componenti e il rispetto delle regole di separazione dei circuiti.

Esiste solo un caso in cui i segnali analogici e digitali devono essere combinati su un'area di terra analogica. I convertitori analogico-digitale e digitale-analogico sono alloggiati in alloggiamenti con pin di terra analogici e digitali. Considerando le 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 digitali e analogici. Tuttavia, questo non è vero in questo caso.

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. Il collegamento può essere effettuato anche all'interno del circuito integrato, tuttavia è piuttosto difficile ottenere una bassa resistenza di tale collegamento a causa delle limitazioni topologiche. Pertanto, quando si utilizzano convertitori, si presuppone un collegamento esterno dei pin di terra analogici e digitali. Se ciò non viene fatto, i parametri del microcircuito saranno molto peggiori di quelli indicati nelle specifiche.

È necessario tenere conto del fatto che gli elementi digitali del convertitore possono degradare le caratteristiche di qualità del circuito, introducendo rumore digitale nella terra analogica e nei circuiti di potenza analogici. La progettazione dei convertitori tiene conto di questo impatto negativo in modo che la parte digitale consumi meno energia possibile. In questo caso l'interferenza degli elementi logici di commutazione viene ridotta. Se le uscite digitali del convertitore non vengono caricate pesantemente, la commutazione interna di solito non causa molti problemi. Quando si progetta una scheda a circuito stampato contenente un ADC o un DAC, è necessario prestare la dovuta attenzione al disaccoppiamento dell'alimentazione digitale del convertitore dalla terra analogica.

CARATTERISTICHE DI FREQUENZA DEI COMPONENTI PASSIVI

Un gran numero di progettisti ignora completamente le limitazioni di frequenza dei componenti passivi quando utilizzati in circuiti analogici. Questi componenti hanno gamme di frequenza limitate e il loro funzionamento al di fuori della gamma di frequenza specificata può portare a risultati imprevedibili. Si potrebbe pensare che questa discussione riguardi solo i circuiti analogici ad alta velocità. Tuttavia, questo è lungi dall'essere vero: i segnali ad alta frequenza influenzano in modo piuttosto forte i componenti passivi dei circuiti a bassa frequenza attraverso la radiazione o il collegamento diretto tramite conduttori. Ad esempio, un semplice filtro passa-basso su un amplificatore operazionale può facilmente trasformarsi in un filtro passa-alto quando al suo ingresso viene applicata l'alta frequenza.

resistenze

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

Condensatori

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

Nessuno, infatti, ha mai visto un condensatore elettrolitico con una reattanza di 160 µΩ. Le piastre dei condensatori a film ed elettrolitici sono strati di lamina attorcigliati che creano induttanza parassita. L'effetto di autoinduttanza dei condensatori ceramici è molto inferiore, il che ne consente l'utilizzo quando si opera ad alte frequenze. Inoltre, i condensatori hanno una corrente di dispersione tra le piastre, che equivale a un resistore collegato in parallelo ai loro terminali, che aggiunge il suo effetto parassita all'effetto della resistenza collegata in serie dei terminali e delle piastre. Inoltre l’elettrolita non è un conduttore perfetto. Tutte queste resistenze si sommano per creare una resistenza in serie equivalente (ESR). I condensatori utilizzati come disaccoppiatori devono avere una bassa ESR, poiché la resistenza in serie limita l'efficacia della soppressione dell'ondulazione e del rumore. L'aumento della temperatura operativa aumenta la resistenza in serie equivalente in modo abbastanza significativo e può ridurre le prestazioni del condensatore. Pertanto, se si intende utilizzare un condensatore elettrolitico in alluminio a una temperatura operativa elevata, è necessario utilizzare il tipo di condensatore appropriato (105°C).

Anche i conduttori del condensatore contribuiscono all'induttanza parassita. Per valori di capacità ridotti, è importante mantenere brevi le lunghezze dei conduttori. La combinazione di induttanza parassita e capacità può creare un circuito risonante. Supponendo che i conduttori abbiano un'induttanza di circa 8 nH per centimetro, un condensatore da 0,01 uF con conduttori lunghi un centimetro avrà una frequenza di risonanza di circa 12,5 MHz. Questo effetto è noto agli ingegneri che decenni fa svilupparono dispositivi elettronici per il vuoto. Chi restaura radio antiche e non è a conoscenza di questo effetto si trova ad affrontare molti problemi.

Quando si utilizzano condensatori elettrolitici è necessario rispettare il collegamento corretto. Il terminale positivo deve essere collegato a un potenziale CC più positivo. Un collegamento errato fa sì che la corrente CC fluisca attraverso il condensatore elettrolitico, il che può danneggiare non solo il condensatore stesso, ma anche parte del circuito.

In rari casi, la differenza di potenziale CC tra due punti in un circuito può invertire il 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.

In realtà non esiste un induttore da 6,28 MΩ. La natura della resistenza parassita è facile da comprendere: le spire della bobina sono costituite da un filo che presenta una certa resistenza per unità di lunghezza. La capacità parassita è più difficile da percepire finché non si tiene conto del fatto che la spira successiva della bobina si trova vicino a quella precedente e che l'accoppiamento capacitivo avviene tra conduttori ravvicinati. La capacità parassita limita la frequenza operativa superiore. I piccoli induttori a filo avvolto iniziano a diventare inefficienti nella gamma 10...100 MHz.

Scheda a circuito stampato

Il circuito stampato stesso presenta le caratteristiche dei componenti passivi discussi sopra, anche se non così evidenti.

Lo schema dei conduttori su un circuito stampato può essere sia una sorgente che un ricevitore di interferenze. Un buon cablaggio riduce la sensibilità del circuito analogico alle sorgenti irradiate.

Il circuito stampato è sensibile alle radiazioni perché i conduttori e i cavi dei componenti formano una sorta di antenna. La teoria dell'antenna è un argomento abbastanza complesso da studiare e non è trattato in questo articolo. Tuttavia, qui vengono fornite alcune nozioni di base.

Un po' di teoria dell'antenna

Uno dei principali tipi di antenne è l'asta o conduttore diritto. Un'antenna di questo tipo funziona perché un conduttore diritto ha un'induttanza parassita e quindi può concentrare e intrappolare la radiazione proveniente da fonti esterne. L'impedenza totale di un conduttore diritto ha una componente resistiva (attiva) e una induttiva (reattiva):

In corrente continua o a basse frequenze predomina la componente attiva. All’aumentare della frequenza, la componente reattiva diventa sempre più significativa. Nell'intervallo da 1 kHz a 10 kHz inizia ad avere effetto la componente induttiva e il conduttore non è più un connettore a bassa resistenza, ma funge piuttosto da induttore.

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

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

La regola dell'antenna a stilo afferma che essa inizia ad interagire sensibilmente con il campo alla sua lunghezza di circa 1/20 della lunghezza d'onda, e l'interazione massima avviene alla lunghezza dello spillo, pari a 1/4 della lunghezza d'onda. Pertanto, il conduttore da 10 cm dell'esempio del paragrafo precedente inizierà a diventare un'antenna abbastanza buona a frequenze superiori a 150 MHz. Va ricordato che nonostante il generatore di clock di un circuito digitale non possa funzionare a una frequenza superiore a 150 MHz, nel suo segnale sono sempre presenti armoniche più elevate. Se il circuito stampato contiene componenti con terminali di notevole lunghezza, tali pin possono fungere anche da antenne.

L'altro tipo principale di antenna è l'antenna a telaio. 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 PCB esperti che sono abbastanza esperti nella teoria delle antenne a telaio sanno di non creare circuiti per segnali critici. Alcuni progettisti, tuttavia, non ci pensano e i conduttori di corrente di ritorno e di segnale nei loro circuiti sono circuiti. La creazione di antenne a telaio è facile da mostrare con un esempio (Fig. 8). Inoltre qui viene mostrata la creazione di un'antenna a fessura.

Considera tre casi:

L'opzione A è un esempio di cattiva progettazione. Non utilizza affatto il poligono di terra analogico. Il circuito ad anello è formato da un conduttore di terra e di segnale. Quando passa una corrente si creano un campo elettrico e un campo magnetico perpendicolare ad essa. Questi campi costituiscono la base di un'antenna a telaio. La regola dell'antenna a telaio afferma che per la massima efficienza, la lunghezza di ciascun conduttore dovrebbe essere pari alla metà della lunghezza d'onda della radiazione ricevuta. Tuttavia, non bisogna dimenticare che anche a 1/20 della lunghezza d'onda l'antenna a telaio è ancora abbastanza efficace.

L'opzione B è migliore dell'opzione A, ma c'è uno spazio vuoto nel poligono, probabilmente per creare un punto specifico in cui far passare i cavi del segnale. I percorsi del segnale e della corrente di ritorno formano un'antenna a fessura. Altri anelli si formano nei ritagli attorno ai chip.

L'opzione B è un esempio di progettazione migliore. I percorsi del segnale e della corrente di ritorno si sovrappongono, annullando l'efficienza dell'antenna a telaio. Si noti che anche questa opzione presenta delle aperture attorno ai circuiti integrati, ma sono separate dal percorso della corrente di ritorno.

La teoria della riflessione e dell'adattamento dei segnali è vicina alla teoria delle antenne.

Quando il conduttore del PCB viene ruotato di 90°, possono verificarsi riflessioni. Ciò è dovuto principalmente alla modifica della larghezza del percorso attuale. Nella parte superiore dell'angolo, la larghezza della traccia aumenta di un fattore 1.414, il che porta ad una discrepanza nelle caratteristiche della linea di trasmissione, in particolare nella capacità distribuita e nell'induttanza intrinseca della traccia. Molto spesso è necessario ruotare una traccia di 90° su un PCB. Molti moderni pacchetti CAD consentono di smussare gli angoli dei tracciati disegnati o di disegnare i tracciati sotto forma di arco. La Figura 9 mostra due passaggi per migliorare la forma dell'angolo. Solo l'ultimo esempio mantiene costante la larghezza della traccia e minimizza le riflessioni.

Suggerimento per layoutr PCB esperti: lasciare la procedura di lisciatura all'ultima fase di lavoro prima di creare goccioline e versare poligoni. In caso contrario, il pacchetto CAD richiederà più tempo per essere ottimizzato a causa di calcoli più complessi.

EFFETTI PARASSITI DELLA SCHEDA STAMPATA

- 4 strati; segnale e strato di poligono di terra sono adiacenti,

- intervallo tra gli strati - 0,2 mm,

- larghezza conduttore - 0,75 mm,

- lunghezza del conduttore - 7,5 mm.

Il valore ER tipico per FR-4 è 4.5.

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

Questo effetto dà origine a numerosi problemi, per i quali tuttavia esistono molti modi. Il più evidente di questi è la riduzione della lunghezza dei conduttori. Un altro modo è ridurne la larghezza. Non vi è alcun motivo per utilizzare un conduttore di questa larghezza per alimentare il segnale all'ingresso invertente Pochissima corrente scorre attraverso questo conduttore. Riducendo la lunghezza della traccia a 2,5 mm e la larghezza a 0,2 mm si ridurrà la capacità a 0,1 pF e tale capacità non porterà più ad un aumento così significativo della risposta in frequenza. Un altro modo per risolverlo è rimuovere parte del poligono sotto l'ingresso invertente e il conduttore che vi si avvicina.

L'ingresso invertente di un amplificatore operazionale, in particolare un amplificatore operazionale ad alta velocità, è altamente incline a oscillare nei circuiti ad alto guadagno. Ciò è dovuto alla capacità indesiderata dello stadio di ingresso dell'amplificatore operazionale. Pertanto, è estremamente importante ridurre la capacità parassita e posizionare i componenti di feedback il più vicino possibile all'ingresso invertente. Se, nonostante gli accorgimenti adottati, l'amplificatore risulta eccitato, è necessario ridurre proporzionalmente la resistenza dei resistori di retroazione per modificare la frequenza di risonanza del circuito. Anche un aumento delle resistenze può aiutare, però, molto meno spesso, perché. l'effetto di eccitazione dipende anche dall'impedenza del circuito. Quando si cambiano i resistori di retroazione, non bisogna dimenticare di cambiare la capacità del condensatore di correzione. Inoltre, non dobbiamo dimenticare che con una diminuzione della resistenza dei resistori aumenta il consumo energetico del circuito.

La larghezza delle tracce PCB non può essere ridotta indefinitamente. La larghezza limite è determinata sia dal processo tecnologico che dallo spessore della lamina. Se due conduttori passano uno vicino all'altro, tra loro si forma un accoppiamento capacitivo e induttivo (Fig. 12).

Le relazioni che descrivono questi effetti parassiti sono abbastanza complesse da essere descritte in questo articolo, ma possono essere trovate nella letteratura su linee di trasmissione e stripline.

I cavi di segnale non devono essere paralleli tra loro, tranne nel caso di cablaggio differenziale o 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 problematica per valori di resistore elevati (diversi MΩ). L'accoppiamento capacitivo relativamente grande tra gli ingressi invertenti e non invertenti di un amplificatore operazionale può facilmente causare l'autoeccitazione del circuito.

Ogni volta che, nella stesura di un circuito stampato, si rende necessario creare un via, cioè interconnessione (Fig. 13), va ricordato che si verifica anche un'induttanza parassita. Con un diametro del foro dopo la placcatura d e una lunghezza del canale h, l'induttanza può essere calcolata utilizzando la seguente formula approssimativa:

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

Tieni presente che l'induttanza del foro, insieme alla stessa capacità parassita, forma un circuito risonante, che può essere influenzato quando si lavora ad alte frequenze. L'induttanza intrinseca del foro è piuttosto bassa e la frequenza di risonanza è nell'ordine dei gigahertz, ma se il segnale è costretto a passare attraverso più vie lungo il suo percorso, le loro induttanze si sommano (in connessione in serie) e la frequenza di risonanza diminuisce. Conclusione: cercare di evitare un gran numero di vie quando si instradano i conduttori critici ad alta frequenza dei circuiti analogici. Un altro fenomeno negativo è che con un gran numero di vie nel poligono di terra si possono creare dei loop. Il miglior cablaggio analogico: tutti i conduttori di segnale si trovano sullo stesso strato PCB.

Oltre agli effetti parassiti sopra discussi, ci sono anche quelli associati ad una superficie della tavola non sufficientemente pulita.

Ricordare che se nel circuito sono presenti grandi resistenze, è necessario prestare particolare attenzione alla pulizia della scheda. I residui di flusso e i contaminanti devono essere rimossi durante le fasi finali della fabbricazione del PCB. Recentemente, quando si montano circuiti stampati, vengono spesso utilizzati flussi solubili in acqua. Essendo meno nocivi, si eliminano facilmente con acqua. Ma allo stesso tempo, lavare la tavola con acqua non sufficientemente pulita può portare a un'ulteriore contaminazione, che peggiora le caratteristiche dielettriche. Pertanto, è molto importante pulire il PCB con circuiti ad alta impedenza con acqua distillata fresca.

INTERACCOPPIAMENTO DEL SEGNALE

Se è necessario separare un circuito stampato che contiene 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 terra (Fig. 14).

La situazione cambia radicalmente 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 aperti contemporaneamente e la corrente di alimentazione dello stadio di uscita aumenta notevolmente, poiché la resistenza della sezione del percorso di corrente dal bus di potenza al bus di terra attraverso due collegamenti in serie i transistor diminuiscono. Il consumo energetico aumenta bruscamente e poi diminuisce, il che porta a una variazione locale della tensione di alimentazione e alla comparsa di una brusca variazione a breve termine della corrente. Tali cambiamenti di corrente provocano l'emissione di energia RF. Anche su un circuito stampato relativamente semplice, possono essere presenti dozzine o centinaia di stadi di uscita di elementi logici considerati, quindi l'effetto totale del loro funzionamento simultaneo può essere molto ampio.

È impossibile prevedere con precisione l'intervallo di frequenza nel quale si verificheranno questi picchi di corrente, poiché la frequenza del loro verificarsi dipende da molti fattori, incluso il ritardo di propagazione dei transistor di commutazione nell'elemento logico. Il ritardo, a sua volta, dipende anche da molteplici cause casuali che si verificano durante il processo produttivo. Il rumore di commutazione ha una distribuzione armonica a banda larga su tutta la gamma. Per sopprimere il rumore digitale esistono diversi metodi, la cui applicazione dipende dalla distribuzione spettrale del rumore.

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

Tabella 2

tipo	Frequenza massima
elettrolitico in alluminio	100 кГц
elettrolitico al tantalio	1 MHz
mica	500 MHz
ceramica	1 GHz

Dalla tabella è ovvio che per frequenze inferiori a 1 MHz si utilizzano condensatori elettrolitici al tantalio, mentre per frequenze più elevate si dovrebbero utilizzare condensatori ceramici. Va ricordato che i condensatori hanno una propria risonanza e la loro scelta sbagliata non solo non può aiutare, ma anche esacerbare il problema. La Figura 15 mostra le tipiche auto-risonanze di due condensatori per uso generale, un elettrolitico al tantalio da 10 µF e uno ceramico da 0,01 µF.

Le specifiche effettive possono variare da produttore a produttore e anche da lotto a lotto dello stesso produttore. È importante capire che affinché il condensatore funzioni in modo efficace, le frequenze che sopprime devono trovarsi in un intervallo inferiore alla frequenza di auto-risonanza. Altrimenti, la natura della reattanza sarà induttiva e il condensatore non funzionerà più in modo efficace.

Non commettere errori: un singolo condensatore da 0,1 uF rifiuterà tutte le frequenze. I piccoli condensatori (10 nF o meno) possono funzionare in modo più efficiente a frequenze più elevate.

Disaccoppiamento alimentazione IC

Il disaccoppiamento dell'alimentazione del circuito integrato per sopprimere il rumore ad alta frequenza è costituito da uno o più condensatori collegati tra i pin di alimentazione e di terra. È importante che i conduttori che collegano i terminali ai condensatori siano mantenuti corti. In caso contrario, l'autoinduttanza 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 del microcircuito, indipendentemente dal fatto che all'interno del pacchetto siano presenti 1, 2 o 4 amplificatori operazionali.Se l'amplificatore operazionale è alimentato da un'alimentazione bipolare, è ovvio che i condensatori di disaccoppiamento devono essere situato su ciascun pin di alimentazione. Il valore della capacità deve essere scelto con attenzione in base al tipo di rumore e interferenza presente nel circuito.

In casi particolarmente difficili può essere necessario aggiungere un induttore collegato in serie all'uscita di potenza. L'induttanza dovrebbe essere posizionata prima e 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 a bassa frequenza. Questo metodo riduce la gamma di alimentazione dell'amplificatore operazionale, che diventa anche più dipendente dal consumo energetico.

Di solito, per sopprimere il rumore a bassa frequenza nei circuiti di alimentazione, è sufficiente utilizzare uno o più condensatori elettrolitici in alluminio o tantalio sul connettore di ingresso dell'alimentazione. Un condensatore ceramico aggiuntivo sopprimerà il rumore ad alta frequenza proveniente da altre schede.

DEPOSITO IN INGRESSO E IN USCITA

In una situazione in cui la gamma di frequenza del rumore indotto è significativamente diversa dalla gamma di frequenza del circuito, la soluzione è semplice e ovvia: posizionare un filtro RC passivo per sopprimere il rumore ad alta frequenza. Tuttavia, quando si utilizza un filtro passivo, bisogna fare attenzione: le sue caratteristiche (a causa dell'imperfezione delle caratteristiche di frequenza 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 diverse gamme di frequenza, il filtro passa-alto dovrebbe essere il più vicino all'interferente. Gli induttori in ferrite possono essere utilizzati anche per la soppressione del rumore; mantengono la natura induttiva della resistenza fino ad una certa frequenza specifica, e al di sopra la loro resistenza diventa attiva.

L'interferenza sul circuito analogico può essere così grande che è possibile eliminarla (o almeno ridurla) solo utilizzando degli schermi. Per funzionare in modo efficace devono essere progettati attentamente in modo che le frequenze che causano maggiori problemi non possano entrare nel circuito. Ciò significa che lo schermo non deve avere fori o ritagli più grandi di 1/20 della lunghezza d'onda della radiazione schermata. È una buona idea lasciare spazio sufficiente per lo schermo previsto fin dall'inizio della progettazione del PCB. Quando si utilizza una schermatura, è possibile utilizzare inoltre anelli di ferrite (o perline) per tutti i collegamenti al circuito.

CORPI OP-AMP

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 della lunghezza dei cavi di feedback. Un modo per superare questo problema è posizionare l'amplificatore e i componenti di feedback sui lati opposti del PCB. Ciò, tuttavia, comporta almeno due fori e ritagli aggiuntivi nel poligono a terra. A volte vale la pena utilizzare un doppio amplificatore operazionale per risolvere questo problema, anche se il secondo amplificatore non viene utilizzato (e le sue uscite devono essere collegate correttamente). La Figura 17 illustra l'accorciamento dei fili del circuito di feedback per una connessione invertente.

Gli amplificatori operazionali doppi e quadrupli, oltre a quanto sopra, consentono un montaggio più stretto. Gli amplificatori separati sono, per così dire, specchiati l'uno rispetto all'altro (Fig. 18).

Le Figure 17 e 18 non mostrano tutti i collegamenti richiesti per il normale funzionamento, come un driver midrange con un'unica alimentazione. La Figura 19 mostra un diagramma di tale driver quando si utilizza un quad-amplificatore.

Nello schema sono riportati tutti i collegamenti necessari per la realizzazione dei tre stadi invertenti indipendenti. È necessario prestare attenzione al fatto che i conduttori del driver a mezza tensione si trovano direttamente sotto il pacchetto 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 spaziatura dei pin di un pacchetto SO standard. Ciò consente lunghezze di conduttore molto brevi per applicazioni ad alta frequenza.

I tipi di pacchetti di amplificatori operazionali includono principalmente DIP (dual-in-line) e SO (small-outline). Man mano che le dimensioni del package diminuiscono, diminuisce anche la spaziatura dei conduttori, consentendo l'uso di componenti passivi più piccoli. Riducendo le dimensioni del circuito nel suo complesso si riducono le induttanze parassite e si consente il funzionamento a frequenze più elevate. Tuttavia, ciò si traduce anche in una diafonia più forte a causa del maggiore accoppiamento capacitivo tra componenti e conduttori.

MONTAGGIO VOLUMETRICO E DA SUPERFICIE

Inoltre, quando si utilizzano componenti aggiuntivi, aumentano le dimensioni della scheda e la lunghezza dei conduttori, il che non consente al circuito di funzionare ad alte frequenze. I via hanno una propria induttanza, che impone anche restrizioni sulle caratteristiche dinamiche del circuito. Pertanto, i componenti plug-in non sono consigliati per circuiti ad alta frequenza o per circuiti analogici situati vicino a circuiti logici ad alta velocità.

Alcuni progettisti, nel tentativo di ridurre la lunghezza dei conduttori, posizionano i resistori verticalmente. A prima vista può sembrare che ciò riduca la lunghezza del percorso. Tuttavia, ciò aumenta il percorso di corrente attraverso il resistore e il resistore stesso è un anello (bobina di induttanza). La capacità irradiante e ricevente aumenta molte volte.

Il montaggio su superficie non richiede un foro per ciascun cavo componente. Tuttavia, sorgono problemi durante il test del circuito ed è necessario utilizzare i via come punti di prova, soprattutto quando si utilizzano componenti di piccole dimensioni.

SEZIONI NON UTILIZZATE

CONCLUSIONE

• pensare al circuito stampato come ad un componente del circuito elettrico;
• avere un'idea e una comprensione delle fonti di rumore e interferenze;
• modello e layout dei circuiti.

Scheda a circuito stampato:

• utilizzare circuiti stampati solo con materiali di alta qualità (ad esempio FR-4);
• i circuiti realizzati su circuiti stampati multistrato sono 20 dB meno suscettibili ai disturbi esterni rispetto ai circuiti realizzati su schede a due strati;
• utilizzare poligoni separati e non sovrapposti per terre e feed diversi;
• posizionare i poligoni di terra e di potenza sugli strati interni del PCB.

componenti:

• essere consapevoli delle limitazioni di frequenza introdotte dai componenti passivi e dalle tracce 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, meglio è;
• se è necessaria una lunghezza del conduttore maggiore, ridurne la larghezza;
• i cavi non utilizzati dei componenti attivi devono essere collegati correttamente.

• posizionare il circuito analogico vicino al connettore di alimentazione;
• non far mai passare cavi che trasportano segnali logici attraverso l'area analogica della scheda e viceversa;
• rendere i conduttori adatti per l'ingresso invertente dell'amplificatore operazionale in cortocircuito;
• assicurarsi che i conduttori degli ingressi invertenti e non invertenti dell'amplificatore operazionale non siano paralleli tra loro per una lunga distanza;
• cerca di evitare l'uso di via extra, perché la loro stessa induttanza può portare a ulteriori problemi;
• non posizionare i conduttori ad angolo retto e, se possibile, smussare la parte superiore degli angoli.

Interscambio:

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

Nuovo materiale per display OLED con transistor IGZO-TFT 27.02.2017

I ricercatori che lavorano al Tokyo Institute of Technology hanno creato un nuovo materiale per i display OLED con transistor IGZO-TFT.

I semiconduttori organici sono caratterizzati da una bassa affinità elettronica e, di conseguenza, da un'elevata barriera all'iniezione di elettroni dal catodo nello strato attivo. Inoltre, finora non sono noti materiali trasparenti con elevata mobilità elettronica che possano essere utilizzati per trasportare elettroni allo strato attivo, per cui questo strato deve essere molto sottile. A sua volta, questo aumenta il rischio di un cortocircuito. Lo sviluppo degli scienziati giapponesi elimina i problemi descritti.

I ricercatori hanno utilizzato un ossido amorfo trasparente come base per il nuovo materiale. Si dice che il materiale risultante migliori le prestazioni dei display OLED guidati da transistor IGZO-TFT. Inoltre, il suo utilizzo riduce i costi di produzione, poiché il materiale è chimicamente stabile e da esso può essere formato un film uniforme su un substrato di ampia area a temperatura ambiente.