Lezione C9
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Elettronica applicata e misure Prefazione Appunti del corso di Elettronica applicata e misure. ! Prefazione degli studenti ! ! Questo documento vuole rappresentare un insieme di appunti di supporto del corso di Elettronica applicata e misure.! ! 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.! ! In quanto si tratta di un documento di appunti di libera pubblicazione gli autori non si assumono alcuna responsabilità del contenuto.! ! 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®.! ! Come usare gli appunti.! ! 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.! ! Gli appunti sono divisi in base a ciascuna lezione:! ! Misure ! A. Parte I! 1. Oscilloscopio digitale (scritti a mano)! 2. Generalità misure (scritti a mano)! 3. Stima Incertezze (scritti a mano)! ! F. Parte II! 1. Voltmetri digitali ! 2. Voltmetri AC ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! A. A. 2013 / 2014 I Elettronica applicata e misure Prefazione Elettronica applicata! ! 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! ! 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! ! 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 ! ! 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 ! Integrità di segnale ! ! 1, 2. Introduzione In questo gruppo di lezioni si parlerà di:! • diafonia;! • rumore di commutazione;! • accorgiemnti di layout;! ! Per quanto riguarda la diafonia si parlerà degli accoppiamenti capacitivi e induttivi e si introdurranno tecniche per limitare il problema della diafonia.! ! Per il rumore di commutazione si parlerà invece su come distribuire al meglio l'alimentazione e dei condensatori di bypass.! ! La lezione si concluderà con un accenno sulla progettazione del layout (piani di massa e alimentazione).! ! Quindi questo gruppo di lezioni si occupa di definire l'integrità del segnale nei sistemi elettronici.! ! La diafonia è quando c'è un segnale (rumore) che non ci dovrebbe essere. ! ! 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. ! ! 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.! ! ! 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.! ! ! 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.! ! ! I riferimenti bibliografici sono:! • D. Del Corso: Elettronica per Telecomunicazioni (capo 5.5, 5.2.10).! ! A. A. 2013 / 2014 1 di 14 Elettronica applicata e misure Lezione C9 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.! ! 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.! ! 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.! ! 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).! ! 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.! ! ! 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).! ! 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.! ! A. A. 2013 / 2014 2 di 14 Elettronica applicata e misure Lezione C9 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.! ! 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.! ! ! ! ! ! ! ! A. A. 2013 / 2014 3 di 14 Elettronica applicata e misure Lezione C9 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.! ! 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.! ! Gli effetti di LM e CM creano un segnale disturbante (Vs) che ha una forma trapezoidale (dv/dt finito).! ! 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.! ! 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.! ! 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) A. A. 2013 / 2014 4 di 14 Elettronica applicata e misure Lezione C9 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.! ! 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.! ! 8. Modello di accoppiamento capacitivo Gli accoppiamenti capacitivi determinano una iniezione di corrente (ICM) che origina una variazione di tensione.! ! 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 A. A. 2013 / 2014 5 di 14 Elettronica applicata e misure Lezione C9 minore della pensione del disturbo (Vx). ! ! ! 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.! ! 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.! ! La lunghezza dell'impolso di V ! 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.! ! ! 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).! ! 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.! ! 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 A. A. 2013 / 2014 6 di 14 Elettronica applicata e misure Lezione C9 l'ampiezza del disturbo. La durata dipende dalla posizione lungo la linea e ha un limite massimo pari al doppio di T.! ! 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.! ! 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.! ! 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.! ! 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.! ! Sulla linea compare counque sempre la somma dei due.! ! ! A. A. 2013 / 2014 7 di 14 Elettronica applicata e misure Lezione C9 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 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! Questo corrisponde all’altro esempio della tramoggia: la diafonia inversa.! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! A. A. 2013 / 2014 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 8 di 14 Elettronica applicata e misure Lezione C9 16. Disturbo totale ! 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.! ! 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.).! ! 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).! ! 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.! ! 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.! ! 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.! ! 19. Ridurre gli accoppiamenti induttivi Il segnale e la corrente di ritorno (osservando la figura) percorrono un cammino a forma di spira.! ! 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 A. A. 2013 / 2014 9 di 14 Elettronica applicata e misure Lezione C9 (massa) i più vicino possibile tra loro.! ! 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.! ! 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.! ! 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.! ! 22. Segnali differenziali L'uso dei segnali differenziali comporta senz'altro ottimi vantaggi, ma anche due piccoli svantaggi.! ! 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). ! ! 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, ...).! ! ! 23. Tensioni Single-ended e differenziali ! 24, 25. Accoppiamenti per maglie comuni Si introduce La seconda parte di questa lezione: il rumore dovuto alle correnti di commutazione.! ! 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).! ! 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.! ! La commutazione simultanea di più uscite ausa un rumore differente da quello descritto sopra e viene chiamato rumore di commutazione simultanea (simultaneous switching noise).! ! A. A. 2013 / 2014 10 di 14 Elettronica applicata e misure 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.! ! 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.! ! 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.! ! ! 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.! ! ! ! ! ! ! ! ! ! A. A. 2013 / 2014 11 di 14 Elettronica applicata e misure Lezione C9 28. Correnti impulsive in uscita ! 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).! ! Il ground bounce dipende da tre parametri:! 1. capacità di carico CL;! 2. pendenza dV/dt della tensione VB;! 3. LG del collegamento GND.! ! Per le transizione L to H si ha lo stesso effetto sulla tensione V ! 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.! ! 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.! ! 30. Effetti di ground bounce e V ! A. A. 2013 / 2014 CC sag 12 di 14 Elettronica applicata e misure 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.! ! Inoltre, tale rumore è legato alla velocità dei fronti, alla capacità del carico e all'induttanza dell'alimentazione e della massa.! ! Il ground bounce ha come effetto principale quello di "spostare" la massa e l'alimentazione.! ! 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.! ! 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.! ! 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.! ! 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.! ! 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).! ! 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).! ! C viene ricaricato lentamente dall'alimentazione pricipale è come se fossero piccole batterie ausiliarie.! ! 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);! A. A. 2013 / 2014 13 di 14 Elettronica applicata e misure Lezione C9 - considerando la resistenza equivalente posta in serie a C (ESR) si ha: C = i x delta_t / (delta_V - ESR x i).! ! Se ESR ha un valore alto, allora si rivela necessario porre più condensatori IN PARALLELO.! ! 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.! ! 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.! ! 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!!! ! 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.! ! 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.! ! 41. Test finale • • • • • • • • ! 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?! A. A. 2013 / 2014 14 di 14
