Lezione C9

Elettronica applicata e misure
Prefazione
Appunti del corso di Elettronica
applicata e misure.
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Prefazione degli studenti
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Questo documento vuole rappresentare un insieme di appunti di supporto del corso di Elettronica
applicata e misure.!
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Il seguente documento è un insieme di appunti del corso di Elettronica applicata e misure. Si vuol
ricordare che tali appunti possono essere affetti da errori e imprecisioni e per questo motivo si
richiede di comunicare ai sottoscritti, alle email: [email protected] e
[email protected], con eventuali correzioni e/o suggerimenti nella stesura, indicando
chiaramente il documento a cui si riferisce.!
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In quanto si tratta di un documento di appunti di libera pubblicazione gli autori non si assumono
alcuna responsabilità del contenuto.!
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Il testo è stato redatto attraverso l’applicativo Pages® for Mac; alcuni grafici sono realizzati
attraverso il software di calcolo numerico Grapher®, alcuni sono stati disegnati a mano tramite il
software di disegno a mano libera Penultimate® altri ancora sono stati presi direttamente dalle
slide disponibili sul portale; per la rappresentazione di alcuni circuiti è stato usato iCircuit®.!
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Come usare gli appunti.!
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Tali appunti sono stati concepiti in modo tale da essere utilizzati con il supporto delle slide del
professore, infatti viene seguita la stessa suddivisione delle lezioni. Il titolo in rosso all’inizio di
ciascuna lezione rappresenta il titolo della lezione stessa, mentre i vari sottotitoli in rosso nel
documento sono associati al numero della pagina della slide di riferimento.!
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Gli appunti sono divisi in base a ciascuna lezione:!
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Misure !
A. Parte I!
1. Oscilloscopio digitale (scritti a mano)!
2. Generalità misure (scritti a mano)!
3. Stima Incertezze (scritti a mano)!
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F. Parte II!
1. Voltmetri digitali !
2. Voltmetri AC !
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I
Elettronica applicata e misure
Prefazione
Elettronica applicata!
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B. GRUPPO B - Circuiti digitali (scritti a mano)!
1. Richiami su circuiti logici (scritti a mano)!
2. Parametri dinamici dei Flip Flop (scritti a mano)!
3. Circuiti sequenziali (scritti a mano)!
4. Logiche programmabili (scritti a mano)!
5. Esercitazione 1 (scritti a mano)!
6. Comparatori di soglia (scritti a mano)!
7. Generatore onda quadra !
8. Esercitazione 2!
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C. Bus e interconnessioni!
1. Interconnessioni !
2. Modelli a linea di trasmissione!
3. Connessioni con linee!
4. Cicli di trasferimento base!
5. Protocolli di bus!
6. Collegamenti seriali !
7. Collegamenti seriali sincroni!
8. Integrità di segnale!
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D. Sistemi di acquisizione dati (mancante)!
1. Integrità di segnale!
2. Convertitori D/A!
3. Conversione A/D!
4. Convertitori pipeline e differenziali!
5. Condizionamento del segnale!
6. Filtri !
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E. Alimentatori e regolatori !
1. Circuiti di potenza !
2. Sistemi di alimentazione !
3. Regolatori a commutazione!
4. Altri sistemi di alimentazione!
5. Esercizi 5: regolatori lin e SW.
A. A. 2013 / 2014
II
Elettronica applicata e misure
Lezione C9
Gruppo lezioni C9
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Integrità di segnale
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1, 2. Introduzione
In questo gruppo di lezioni si parlerà di:!
• diafonia;!
• rumore di commutazione;!
• accorgiemnti di layout;!
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Per quanto riguarda la diafonia si parlerà degli accoppiamenti capacitivi e induttivi e si
introdurranno tecniche per limitare il problema della diafonia.!
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Per il rumore di commutazione si parlerà invece su come distribuire al meglio l'alimentazione e dei
condensatori di bypass.!
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La lezione si concluderà con un accenno sulla progettazione del layout (piani di massa e
alimentazione).!
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Quindi questo gruppo di lezioni si occupa di definire l'integrità del segnale nei sistemi elettronici.!
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La diafonia è quando c'è un segnale (rumore) che non ci dovrebbe essere. !
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I rumori di comunicazione sono quei rumori che avvengono quando si cambia di Stato ossia si
passa dallo Stato alto a uno stato basso o viceversa. Quando si cambia stato logico bisogna
caricare o scaricare diversi condensatori e questi condensatori provocano dei rumori a causa di
correnti che circolano e quindi di differenti potenziali che si generano. !
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Nei circuiti elettrici la cosa è simile: un segnale che c'è ma non ci
dovrebbe essere. C'è perchè non possiamo farne a meno.!
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Quando il condensatore si carica e si scarica generando della corrente
e quindi le differenze di potenziale si potrebbe anche avere che il
riferimento (0V) non è più a quella tensione ma varia , poiché varia
anche la l'alimentazione potrebbe subire i contraccolpi o viceversa di
conseguenza può ottenere dei rumori spuri e non sono voluti dal
progettista ma che esistono e che bisogna tenere in qualche modo in
considerazione quando si creano i progetti.!
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Quando si progettano i circuiti elettronici si cerca di evitare questa tipologia di problema tuttavia
non sempre è possibile evitare questi problemi quindi si cercano delle soluzioni per minimizzare il
problema oppure ci sono delle metodologie (da specializzandi ) che non vedremo questo corso e
che permettono di minimizzare il problema o comunque di arginarlo e quindi di riuscire a produrre il
componente sebbene ci siano questi umori.!
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I riferimenti bibliografici sono:!
• D. Del Corso: Elettronica per Telecomunicazioni (capo 5.5, 5.2.10).!
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3. Diafonia e crosstalk
In telecomunicazioni ed elettronica con il termine intonazione , anche detta crosstalk o cross-talk,
si indica il rumore o interferenza elettromagnetica che si può generare tra due cavi vicini di un
circuito o di un apparato elettronico, o anche dello stesso conduttore.!
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La causa è il campo elettromagnetico tempo-variabile che si genera attorno a un cavo in cui passa
corrente non costante (segnale) generando uno scambio di energia da una linea all'altra, all'interno
dello stesso conduttore, creando un disturbo indesiderato (la diafonia appunto). Questo campo
magnetico variabile può indurre, in un cavo vicino, una differenza di potenziale e quindi una
corrente indotta spuria. In particolare quando si ha un circuito "sorgente" alimentato da una
tensione e corrente, esso produce un campo elettromagnetico, in cui è immerso il circuito
"ricevitore". Nel secondo circuito si indurrà una corrente (e quindi una tensione).!
Si intuisce, anche da questa descrizione semplicistica, che il fenomeno della diafonia appartiene al
sistema stesso e quindi non è un problema di emissioni condotte o irradiate.!
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La problematica della diafonia può verificarsi:!
• tra più conduttori diversi, qui il problema è dovuto agli accoppiamenti di tipo induttivo e
capacitivo (raramente da resistenze);!
• sullo stesso conduttore (tra segnali diversi), qui è dovuto all'accoppiamento per maglie comuni e
alle correnti impulsive in uscita e sull'alimentazione.!
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La diafonia nel dominio del tempo, se si ha una banda limitata, vengono a
crearsi delle "code" sui simboli e quindi si parla di interferenza
intersimbolica (ISI).!
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Partendo dalla prima figura in alto a destra si nota due linee in cui la linea
più in alto si ha un segnale il quale va in qualche modo a influire sull'altro
segnale o meglio dire sull'altra linea. La freccia rossa indica il propagarsi
del disturbo. Questo è chiamato diafonia.!
Nella figura al centro si vede un altro tipologie di disturbo, se la massa di riferimento
che non è altro che un valore che comunemente si associa allo zero volt per il
circuito ma in verità quello 0 V non è esattamente a 0 V ma a un altro
valore che si prende un altro punto come riferimento. Quindi se la massa
varia da qualche motivo allora anche i valori che sono connessi alla massa
variano.!
Nell'ultimo ridisegno quello più in basso si intuisce facilmente che cosa sia
la ISI (già visto in precedenza). Questo disturbo è quanto c'è un segnale
logico perfetto (riga blu) ma a causa di rumore a causa di imperfezioni del
materiale (del conduttore) o di altri problemi (magnetismo) allora il segnale
blu non è così perfetto ma si trasforma in un segnale con del rumore, ci può essere che in
qualche modo ad esempio una discesa (passare dallo stato alto logico allo stato basso logico (ad
esempio)) che in una discesa ci sia del rumore e tale rumore in qualche modo vada influire anche
i bit che stanno prima e dopo la discesa. In altre parole il rumore dovrebbe andare influenzare
solamente quella discesa ad esempio ma la coda del disturbo va a influenzare anche altre bit.!
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4. Accoppiamento tra conduttori
Tra conduttori vicini sono presente due tipi di accoppiamenti:!
• un accoppiamento di tipo induttivo (si parla di induttanza mutua e viene indicata con LM);!
• accoppiamenti capacitivi (si parla qui di capacità mutua e indicata come CM).!
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La mutua induttanza (o mutua induzione) è l'induttanza fra due circuiti elettricamente separati,
quando il campo magnetico generato da uno esercita una forza elettromotrice sull'altro, e
viceversa. Vale lo stesso discorso per la mutua capacità.!
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Nota: le mutue capacità e induttanza sono distribuite lungo tutto il conduttore!!
Se si smonta un computer non di
ultimissima
generazione (o meglio ancora un
vecchio videogioco degli anni
1995) si potrà vedere alcune
piastre verdi come in figura. Ora
se si considera anche solamente
due conduttori su quella piastra
molto vicini tra loro (i conduttori
sono rappresentati o meglio visti su quella piastra come quelle strisce di color giallo), questi due
conduttori se messi molto vicini tra loro ma che non si toccano avranno una capacità tra di loro.
Questa capacità è dovuta al fatto che due piastre (i fili) separati tra loro da un materiale isolante.
Questo fa sì che si crea un condensatore. Il condensatore è raffigurato in figura come un unico
condensatore tuttavia per essere molto preciso il condensatore va sparpagliato su tutta la linea
come per la appunto è disegnato in blu (altri piccoli condensatori vicino al grosso condensatore).!
Ora visto che i due fili sono in qualche maniera molto vicini tra loro e che possono nel segnale e
se per di più sono in qualche modo collegate a massa di possiamo vedere come un trasformatore
perciò la componente d'induttanza la si mette sul disegno con il simbolo trasformatore. La
componente induttiva può essere spiegata come viene segnata nel trasformatore, solo che in
quest'ultimo caso (la trasformatore) è una cosa voluta mentre in questo caso è una cosa
indesiderata.!
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5. Terminologia
In questa figura sono descritte le
terminologie utilizzate per descrivere il
circuito. Facendo finta che la
determinazione di tale circuito si erano
adattate in altre parole non ci sono
riflessioni non da parte dal trasmettitore e
arriva al ricevitore e non ritorna indietro
con riflessioni spurie. Tuttavia si potrebbe
fare lo stesso ragionamento e quindi
utilizzare gli stessi nomi anche per linee
non adattate e quindi con linee che
generano una riflessione.!
Il segnale che disturba viene denominato
come segnale disturbante. La linea che
disturba viene denominata come linea
disturbante e quindi viene chiamata in
gergo aggressore dall'inglese. Se si passa
invece alla linea verde sia che la linea disturbata viene denominata come linea disturbata mentre il
nome certo è detto vittima anche in questo caso dall'inglese.!
Una linea è una linea di massa mentre l'altra e una linea in cui si porta segnale. Quando segnale
transita sulla linea che trasporta segnale, si ha del rumore che arriva sull'altra linea, che viene
denominato meglio disegnato come un trasformatore. Inoltre si ha anche il simbolo del
condensatore visto in precedenza.!
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6. Modello di sistema e segnali
Si ricordi che che la linea di
trasmissione è un modello che
rappresenta il componente elettronico
utilizzato per trasportare segnali ed
energia su grandi distanze; nel caso di
trasmissione di energia elettrica, le
linee sono operate in alta tensione.!
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Nel modello a linee si hanno due linee
adattate al driver e alla terminazione e vengono
caratterizzata dall'induttanza mutua LM e dalla
capacità mutua CM.!
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Gli effetti di LM e CM creano un segnale
disturbante (Vs) che ha una forma trapezoidale
(dv/dt finito).!
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Nella figura. Se si prende in considerazione il circuito in figura si vedono due linee di trasmissione.
Quando si vuole fare dei calcoli su una linea e quindi calcolare che effetti avrà un determinato
segnale sul circuito (gli effetti sulle capacità e su un'altra linea dovuta all'induttanza) si prende un
segnale trapezoidale ossia un segnale che non abbia una derivata che vada a più infinito in altre
parole la dV/dt non deve essere più infinito poiché sarà impossibile fare i calcoli. Quindi la scritta in
rosso in basso è da evitare, mentre il segnale al lato (in nero) è un segnale che si può utilizzare,
poiché è un segnale reale e che effettivamente esiste mentre il segnale rosso non può esistere
poiché è impossibile andare su in perpendicolare.!
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7. Parametri di accoppiamento
Il segnale vero e proprio Vs si propaga lungo tutta la linea superiore: gli accoppiamenti induttivi e
capacitivi generando dei disturbi nella linea inferiore. Tali disturbi sono legati principalmente a due
cose:!
• pendenza del fronte disturbante (dVs/dt, dIs/dt);!
• induttanza mutua e capacità mutua.!
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In figura il segnale in blu ed è un gradino, qui si cerca
di modernizzare ciò che si vede ad un certo punto
della linea di trasmissione. In altre parole se si manda
un segnale per l'appunto dovrebbe essere Vs anche
se non lo dice in modo chiaro e netto, quindi se si
manda un segnale ad esempio un gradino si vuole
modernizzare quello che si vede ad un certo punto
della linea di trasmissione.!
Volendo vedere quello che succede al di là della
sbarra verde di ogni figura passando la per i due punti
blu si può dire che: la linea in alto viene utilizzata
come un generatore di tensione che è il modulo
trasmettitore che viene utilizzato in quel modo
poiché in quel punto della linea di segnale c'è
poiché si aveva in precedenza inviato un
segnale, mentre l'impedenza caratteristica è
modernizzata come una resistenza.!
La linea di sotto, invece è modernizzata come
una resistenza che sarebbe impedenza
caratteristica Z∞ che è uguale (per semplicità)
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alla impedenza caratteristica della linea di sopra.!
Le due in infine sono connesse da condensatore che in figura è di colore rosso. Con condensatore
implica che le due linee in qualche modo hanno tra di loro un effetto capacitivo.!
Mentre la parte del " trasformatore" è stata trascurata sebbene ci sia.!
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Se vai a 8. Modello di accoppiamento dice che Vs è il segnale vero e proprio ossia il segnale visto
da un punto della linea di trasmissione che è partito dal lato trasmettitore.!
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8. Modello di accoppiamento capacitivo
Gli accoppiamenti capacitivi determinano una iniezione di corrente (ICM)
che origina una variazione di tensione.!
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Partendo dai due circuiti disegnati nella slide, i quali sono stati
modificati dal professor. Quello a sinistra gli è stato aggiunto
un generatore di tensione che simula il trasmettitore e una
resistenza la quale simula la linea di trasmissione. In basso
stato messo un quadrato che simula il carico che la linea vede
attraverso la capacità.!
Nella figura a destra invece è stato aggiunto la resistenza che
simula la linea di trasmissione.!
Nella figura a destra vi è un Z∞ diviso in due il quale simula ciò
che la linea che porta il segnale va a disturbare. In altre parole
se si ritorna alla figura precedente (quella a sinistra) si ha che la
linea di trasmissione quella più in alto manda un segnale il
quale va a disturbare la linea sottostante e la linea
sottostante è vista in quel punto come una Z∞ diviso in due.!
Se si va a calcolare la tensione in quel punto la tensione sarà
data dalla formula in alto: la tensione Vxc=Zinf/2*Icm ove Icm
è la corrente che circola nel condensatore la quale è
generata dal cambiamento di livello logico. In altre parole più
il cambiamento logico dallo stato basso allo Stato alto è lento
e più il disturbo sarà lungo, più questo cambiamento sarà
rapido e più il disturbo sarà piccolo. Quest'ultima
osservazione la si può vedere nelle due figure in cui ci sono
due piccole frecce verdi attaccate tra loro (<-->). Quella
in alto è raffigurato passaggio di stato mentre in quelle in
basso è raffigurato il tempo del disturbo.!
Quindi più il disturbo sarà lungo e più corrente passerà
nel condensatore. Quindi avendo impedenza
caratteristica e avendo la corrente che passa
nel condensatore si può ricavare la tensione
su quel punto. Tuttavia si può anche
utilizzare un'altra regola dell'elettrotecnica
che ci dice che la tensione su un modo è
data da impedenza caratteristica moltiplicato
dalla capacità del condensatore moltiplicato
per la corrente che passa attraverso il
condensatore ossia in termini di formule con
Z∞/2·Cm dVs/dt.!
Inoltre è da considerare che per ipotesi si
può leggere in basso a destra che la
tensione del segnale vero e proprio (Vs) è
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minore della pensione del disturbo (Vx). !
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In questo disegno si può vedere che: il disegno più in alto è la linea di trasmissione quella in cui
passa il segnale con l'interno di informazione.!
Il disegno mezzo rappresenta il canale conduttivo di massa e è stato preso una sezione e si può
vedere il disturbo che dura esattamente il tempo di transizione tra lo Stato alto e lo stato basso o
viceversa in poche parole quando c'è una variazione logica. E il tempo per questa variazione
logica sul canale in cui viene inviata informazione dura X e quindi anche il disturbo presso in una
sezione sul canale di massa dura X.!
L'ultima figura rappresenta il disturbo da che
parte va: un pezzo andrà a destra e un pezzo
andrà a sinistra.!
E il disturbo o meglio dire la tensione su quel
punto può essere rappresentata come un
generatore di tensione.Sta di fatto che se metto
un generatore in un punto della linea di
trasmissione avrò una tensione e quindi è una
buona modellizzazione.!
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9. Effetto dell’accoppiamento
capacitivo
VXC (il segnale nella figura) ha lo stesso segno del segnale disturbante e si propaga con la stessa
polarità nelle due direzioni.!
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La lunghezza dell'impolso di V
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XC
è pari al tempo di salità del segnale Vs.!
Vuole solo dire che quando si ha un disturbo su un canale l'onda(il rumore) per metà si propaga
nella stessa direzione dell'onda che trasporta il segnale sul canale di sopra di viene chiamata
diafonia diretta mentre se questa diafonia si propaga nella direzione opposta si chiama inversa.!
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10. Effetto complessivo
L'effetto complessivo dell'effetto capacitivo è espresso in due termini:!
• termine progressivo verso la terminazione (convenzionalmente verso destra) e indicato come VXC + (VXL / 2);!
• termine regressivo verso il driver (verso sinistra), indicato come
VXC + (VXL / 2).!
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Si hanno segno opposto nel termine progressivo (cioè quello che va verso il receiver) tuttavia i due
contributi, cioè i due termini, potrebbero compensarsi a vicenda ed entrambi hanno uguale velocità
di spostamento. Tale velocità di propagazione dei termini dell'effetto capacitivo è pari alla velocità
di propagazione delle onde elettromagnetiche del conduttore in analisi.!
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11. Somma dei disturbi
Quindi, se tali termini hanno la stessa velocità, si può dire che:!
1. i disturbi che si propagano verso la terminazione (->) sono la somma dei disturbi via generati
all'avanzare del gradino (disturbo e "sorgente" si spostano alla stessa velocità: DIAFONIA
DIRETTA). La durata del disturbo totale si indica con Tr e ha un'ampiezza variabile a seconda
della posizione lungo la linea.!
2. per i disturbi che si propagano versi il driver (cioè <-), si parla di disturbi che sono generati man
mano e si affiancano nel tempo (le ampiezze quindi, non si sommano: DIAFONIA INVERSA).
La durata del disturbo totale non è più costante ma è variabile, quello che rimane costante è
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l'ampiezza del disturbo. La durata
dipende dalla posizione lungo la linea
e ha un limite massimo pari al doppio
di T.!
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Se si ha due linee di trasmissione una
è ad esempio è una linea di
trasmissione di massa mentre l'altra è
una linea di trasmissione in cui circola
l'informazione, quando si ha un
passaggio logico dallo Stato alto o
allo stato basso allo Stato alto, sia
sulla linea di massima un rumore.!
Volendo che le due linee di
trasmissione abbiano la stessa
velocità quindi i segnali viaggiano alle
stesse velocità si possono fare le
seguenti considerazioni.!
Preso a caso sulle linee di
informazione e passaggio del segnale, nella stessa posizione nella linea di massa si avrà un
disturbo per questo disturbo andrà a destra e a sinistra. Considerando prima l'onda progressiva del
rumore, essa viaggerà alla stessa velocità con cui viaggia l'onda che trasporta l'informazione
quindi ogni volta che l'onda che trasporta l'informazione genera un nuovo disturbo sulla linea di
massa gli studi su quella linea aumentano poiché si sommano in altre parole si genera un piccolo
disturbo all'inizio della linea in seguito questo disturbo segue la stessa direzione del segnale che
trasporta l'informazione e poiché questi due segnali viaggiano alla stessa velocità ogni volta che il
segnale di informazione mettono disturbo questo disturbo va a sommarsi con il suo precedente
quindi alla fine della linea si avrà un disturbo elevato.!
Mentre se si considera l'onda recessiva del rumore si può dire che poiché viaggia verso opposto
ogni volta che si genera una nuova onda l'onda che si era generata in precedenza ormai ha già
percorso un tratto di strada e nell'attimo successivo in cui si genera un'altro rumore le due
precedenti onde anche percorso una certa strada e quindi non si possono sommare, avremo
quindi tante piccole segnali rumori " porte" che in qualche modo non si sommano ma sono molto
vicini tra loro poiché viaggiano tutti alla stessa velocità e la velocità è uguale alla velocità della
linea che manda l'informazione.!
In figura si può vedere tale ragionamento, in verde abbiamo l'onda progressiva mentre in rosso
abbiamo l'onda recessiva del rumore.!
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12. Analogia meccanica
In figura sono rappresentate le corrispondenti analogie di tipo meccanico per i due tipi di diafonia
descritti sopra: a sinistra è raffigurata la DIAFONIA INVERSA e a destra la DIAFONIA DIRETTA.!
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13. Segnali osservabili
Nella diafonia diretta sia il nastro sia la tramoggia si spostano lungo la stessa direzione e quindi il
materiale si accumula formando la curiosa forma a cono (cioè l'altezza cresce man mano) e con
una durata costante (Tr) e l'ampiezza è variabile con la posizione: il massimo è rappresentato
dall'estremo remoto.!
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In quella inversa invece il nasto e la tramoggia si spostano in direzioni opposte, quindi si ha un
cumulo a striscia, vale a dire che l'ampiezza è costante ma varia il tempo, cioè ampiezza costante
e lunghezza crescente. La durata è variabile con la posizione: al massimo vale il doppio di T.!
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Sulla linea compare counque sempre la somma dei due.!
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14. Diafonia diretta
In verde è rappresentato ciò che si
potrebbe vedere utilizzando un
oscilloscopio. Se si ha una diafonia
di tipo diretto, l’onda del segnale si
propaga sommandosi come
nell’esempio della tramoggia.!
15. Diafonia inversa
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Questo corrisponde all’altro
esempio della tramoggia: la
diafonia inversa.!
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16. Disturbo totale
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17. Tenere sotto controllo il
crosstalk
Per tenere sotto controllo il crosstalk
bisogna innanzitutto conoscere tre
cose:!
1.la velocità dei fronti (del segnale
disturbante, quindi il dV/dt perché
come visto prima se più è rapida la
transizione e più carica passa nel
condensatore e più disturbo ho.);!
2.gli accoppiamenti L e C (Valore
del condensatore parassita tra le
piste. E per analogia del induttore);!
3.il margine di rumore del receiver.!
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Per ridurre il crosstalk, quindi, è
necessario (quando possibile):!
•rallentare i fronti dei driver della
linea disturbante;!
• ridurre CM e LM utilizzando dei segnali differenziali (tenendo le piste distanti ma la piastra sarà
più grande in modo tale da eliminare la capacità parassita.).!
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Per ridurre invece gli effetti del crosstalk è possibile:!
• filtrare i receiver della linea disturbata (sono filtri che diccono se la variazione è elevata o dura
tanto allora tengo il segnale se no lo butto);!
• utilizzare tecniche di verifica della parità (EDC = error detection correction).!
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Il crosstalk è più corretto per parlare dei problemi di diafonia sui circuiti stampati mentre diafonia è
un termine più generico. Per esempio:!
• “Ho un problema di diafonia su un circuito stampato.”. Non è sbagliato, ma poco preciso.!
• “Ho un problema di crosstalk su in circuito stampato.”. Terminologia adeguata.!
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18. Ridurre la pendenza dei fronti
La pendenza del fronte di commutazione è indicata e definita da: dv/dt = delta_V / delta_t.
Solitamente si cerca di ridurre tale rapporto il più possibile.!
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Si cerca quindi di:!
• ridurre quanto possibile delta_V, magari utilizzando una famiglia di transceiver a bassa
escursione di tensione e quindi usando segnali differenziali (LVDS);!
• aumentare delta_t utilizzando una famiglia logica più lenta (ma sempre compatibile con il resto
del sistema). E' un criterio sempre valido che riduce i consumi e i disturbi.!
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19. Ridurre gli accoppiamenti induttivi
Il segnale e la corrente di ritorno (osservando la
figura) percorrono un cammino a forma di spira.!
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L'induttanza LM tra due spire dipende dalla
distanza, dall'area concatenata, dalla tipologia
dei materiali e via dicendo. Quando si cerca di
ridurre LM si deve innanzitutto cercare che tali
spire siano ampie e concatenate tra loro: si deve
tenere la pista del segnale e quella di ritorno
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(massa) i più vicino possibile tra loro.!
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20. Percorsi delle correnti di ritorno
Quando le correnti seguono percorsi tali in cui le aree siano minime si ha un minor dispendio
energetico, in quanto le aree grandi richiedono più energia per generare campi magnetici.!
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Un'ottima soluzione è quella di utilizzare un piano di massa, grazie alla quale la corrente circola in
percorsi vicini al segnale; tuttavia, questo piano di massa deve essere uniforme e continuo
altrimenti perde la sua utilità.!
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21. Accoppiamenti induttivi
Per quanto riguarda gli accoppiamenti di tipo induttivo e il piano di massa, si deve sapere che le
spire concatenate si formano anche quando le masse sono distanti dal segnale e sono in comune
tra loro, cioè i collegamenti di massa dovrebbero essere indipendenti per ciascun segnale.!
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22. Segnali differenziali
L'uso dei segnali differenziali comporta senz'altro ottimi vantaggi, ma anche due piccoli svantaggi.!
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Vantaggi.!
1. Immunità al rumore di modo comune, cioè l'uso del segnale differenziale permette di ridurre
l'escursione di tensione (e quindi la riduzione di consumi energetici) poichè l'informazione non
viene messa nella tensione stessa ma nella differenza di tensione tra i due conduttori
differenziali. Si rende così possibile anche una riduzione delle interferenze elettromagnetiche
(essendoci una bassa escursione, si infastidiscono di meno le componenti vicine).!
2. La corrente totale in una coppia differenziale è costante, questo significa che si ha un
assorbimento di corrente continuo dall'alimentazione (cioè senza sbalzi e irregolarità: è un
vantaggio soprattutto per le batterie) ed essendo il flusso di corrente continuo, sicuramente si
ricuono anche le interferenze (EMI). !
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Svantaggi.!
1. Lo svantaggio principale è quello delle dimensioni: utilizzare due cavetti invece che uno
soltanto comporta l'utilizzo di due piedini in più per ciascun segnale.!
2. Sono richieste tecniche di tipo analogico (stadi differenziali, ...).!
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23. Tensioni Single-ended e differenziali
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24, 25. Accoppiamenti per maglie comuni
Si introduce La seconda parte di questa lezione: il rumore dovuto alle correnti di commutazione.!
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Le correnti relative a parti diverse del circuito possono avere percorsi in comune e quindi avere
una caduta di tensione statica (con corrente I costante) definita da delta_V = R x I e una caduta di
tensione dinamica causata dalle variazioni di corrente durante le commutazioni definita delta_V = L
x (dv/dt).!
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Uno degli effetti più gravi della commutazione è il ground bounce, cioè il rimbalzo di massa: le
correnti impulsive causano degli spostamenti (di natura oscillante) del riferimento (massa): !
- delta_V = L dl/dt!
- I = C dV(dt!
- delta_V = L C d2V/dt2.!
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La commutazione simultanea di più uscite ausa un rumore differente da quello descritto sopra e
viene chiamato rumore di commutazione simultanea (simultaneous switching noise).!
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Lezione C9
26. Rumore di commutazione
Il ground bounce e il rumore di commutazione sono legati a:!
• pendenza delle transizioni;!
• quantità di cariche da spostare (capacità del carico);!
• l'induttanza dei collegamenti di massa e alimentazione.!
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L'effetto del rumore di commutazione causa variazioni di tensione sulla massa e sull'alimentazione.
In particolare:!
• riguardano i dispositivi con massa e alimentazione in comune (altre porte logiche dello stesso
componente, altri componenti vicini che condividono massa e alimentazione);!
• determinano variazioni nelle tensioni di ingresso (effettive) e di uscita;!
• possono determinare oscillazioni indesiderate.!
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Quello che vuole dire in questo disegno e che il ground tra due componenti che devono
comunicare tra di loro devono essere uguali se no c'è il rischio che non si capiscono. E il ground
non deve variare se no o delle oscillazioni nel segnale stesso che la cosa è poco produttiva anzi
controproducente.!
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27. Corrente impulsiva nel totem pole
La freccia costituita dai trattini rossi rappresenta un filo estremamente sottile che si trova tra la
porta e l’alimentazione. Ha un’induttanza davvero trascurabile.!
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Lezione C9
28. Correnti impulsive in uscita
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29. Correnti impulsiva Val - GND
La corrente di scarica di CL scorre nel conduttore indicato in figura come GND e determina una
caduta di potenziale chiamata VG: tale effetto viene conosciuto come rimbalzo di massa (ground
bounce).!
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Il ground bounce dipende da tre parametri:!
1. capacità di carico CL;!
2. pendenza dV/dt della tensione VB;!
3. LG del collegamento GND.!
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Per le transizione L to H si ha lo stesso effetto sulla tensione V
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CC
(VCC sag).!
In poche parole si ha Ground Bounce quando il riferimento di massa per qualche motivo non è più
li dove deve essere ma si è spostato e poi ritorna dov'era. In quell’istante i vari componenti non
capiscono più niente e possono dare dei valori non veri.!
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Questo fenomeno è dovuto ad esempio se faccio commutare un circuito logico e quindi deve
scaricare o caricare una capacità e la corrente circola anche nei fili della massa per caricare la
capacità o scaricare, e poi i fili hanno anche una proprietà induttiva e quindi ho altri problemi se i
cavi sono vicini.!
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30. Effetti di ground bounce e V
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CC
sag
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Lezione C9
31. Ground bounce e switching noise
Il rumore di commutaizone è proporzional al numero di uscire che cambiano di stato. Per ciascuna
uscita si ha: !
- delta_V = L x dl/dt!
- I = C x dV/dt!
- delta_V = L x C d2V/dt2.!
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Inoltre, tale rumore è legato alla velocità dei fronti, alla capacità del carico e all'induttanza
dell'alimentazione e della massa.!
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Il ground bounce ha come effetto principale quello di "spostare" la massa e l'alimentazione.!
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Si hanno quindi effetti negativi anche per le componenti vicine alla "sorgente" del disturbo (per
sorgenti vicine si intendono le porte logiche dello stesso package, in quanto tali porte logiche
hanno massa e alimentazione in comune. Il ground bounce spsota la tensione effettiva di ingreso e
sposta i livelli di uscita.!
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32. Funzione di condensatori di bypass
Gli obiettivi principali sono quelli di fornire percorsi che abbiano una bassa impedenza alle correnti
impulsive e fornire i picchi di corrente da "serbatoi di cariche" collocati in prossimità degli
utilizzatori.!
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A tal scopo si possono utilizzare dei condensatri di disaccoppiamento (chiamati condensatori di
bypass) e vengono collocati vicini ai circuiti integrati che pilotano i carichi a bassa impedenza e
quindi è necessare realizzare percorsi a bassa impedenza specifici per questo scopo.!
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I condensatori di bypass si rivelano necessari quando si trattano componento a basso ESR/ESL e
si devono realizzare opportuni layout seguendo specifici criteri di realizzazione.!
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33. Percorso delle correnti
Le correnti provengono dall'alimentazioni e determinano le cadute di tensione sulle induttanze (si
osservi la figura: 1 e 2 si disturbano a vicenda).!
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34. Condensatori di bypass
Se si utilizzano dei condensatori di bypass sulle componenti 1 e 2 è come se si venissero
schermate e quindi protette dai disturbi di commutazione. Gliimpulsi di corrente vengono cioè
forniri dai condensatori C e percorrono solo le piste (a bassa impedenza) tra C e il componente
attivo (in tal modo si aggira il problema di dover fornire idealmente correnti e tensioni in modo
indipendente per ciascun modulo).!
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C viene ricaricato lentamente dall'alimentazione pricipale è come se fossero piccole batterie
ausiliarie.!
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35. Valore dei condensatori di bypass
Quali sono però i valori ideali che si dovrebbero attribuire a questi condensatori di bypass?
Ricordando che lo scopo è quello di limitare le oscillazioni e gli spostamenti sulla massa e
sull'alimentazione si indicano:!
• con Q la carica immagazzinata in ciascun piccolo condensatore C;!
• con V la tensione ai capi di ciascun piccolo condensatore, in particolare:!
- delta_V è la variazione di tensione ammessa:!
- delta_t è la durata dell'intervallo del condensatore;!
- Q = C x V; i = C x delta_V/delta_t (+ totem pole current spike);!
- C = i x (delta_t/delta_V);!
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Lezione C9
- considerando la resistenza equivalente posta in serie a C (ESR) si ha: C = i x delta_t /
(delta_V - ESR x i).!
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Se ESR ha un valore alto, allora si rivela necessario porre più condensatori IN PARALLELO.!
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36. Calcolo della capacità di bypass
Per eseguire il calcolo della capacità di bypass esiste uno strumento online accessibile tramite il
seguente link: http://www.ultracad.com/esr_calc.htm.!
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37. Punti critici per il progetto del layout
I punti critici quando si progetta un layout sono:!
– Stack_up PCB (sequenza dei layer) per l'impedenza controllata e la diafonia.!
– Posizione dei componenti per limitare rumore di commutazione.!
– Routing delle piste per l'impedenza e la diafonia.!
– Routing dei clock/ strobes per avere minimo skew.!
– Routing dei bus per la diafonia.!
– Routing dei piani di potenza per i rumori di commutazione.!
– Routing per minimizzare EMI.!
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38. Distribuzione di clock a catena
La connessione a catena multipunto è svantaggiosa pochè genera un elevato skew. Il clock arriva
ai vari registri in tempi diversi: da evitare quando possibile!!!
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39. Distribuzione con clock driver
La distribuzione con clock driver, tramite dispositivi specifici è consigliata poichè sono noti i ritardi
per ciascun driver di clock (e si può agire di conseguenza), c'è un adattamento al lato driver (near
end): Rs = Z0 - RO. e si ha una rilfessione alla terminazione (RWS). Il tempo di trasmissione
massimo (al driver) è dettato da tTXmax = 2 x tP.!
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40. Equalizzazione dei ritardi
Per poter ottenere gli stessi tempi di trasmissione, tutti i percorsi di clock devono avere la stessa
lunghezza elettrica, se un percorso è più corto di un altro, lo si può allungare introducendo una
pista a meandro (come in figura). Ma attenzione! Si possono introdurre disturbi pericolosi.!
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41. Test finale
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Spiegare il termine “diafonia”.!
Quali sono gli effetti degli accoppiamenti induttivi e capacitivi tra le piste di un circuito stampato?!
Con quale meccanismo i percorsi comuni creano diafonia?!
Per ridurre la diafonia, conviene usare una famiglia logica lenta o veloce?!
Cosa sono il rumore di commutazione simultanea e il ground bounce?!
Quali criteri di layout possono ridurre la diafonia?!
A cosa servono i condensatori di bypass sull’alimentazione?!
Quale è la topologia consigliabile per la distribuzione del clock?!
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