TEHNOLOGIA SISTEMELOR ELECTRONICE

TEHNOLOGIA SISTEMELOR ELECTRONICE Cursul nr.9

Probleme tratate • Proiectarea PCB pentruintegritateasemnalului • Caracteristici electrice ale PCB • Impedanta caracteristica • Reflexii • Oscilatii (ringing) • Trasee electrice lungi • Terminatii ale liniilor de transmisie • Consideratii electrice la rutarea PCB • Plasarea componentelor • Aranjarea straturilor unui PCB • Condensatoare de decuplare • Latimea traseelor in functie de curent TSE - Cursul nr. 9

Caracteristici electrice ale PCBImpedanta caracteristica • Pentru minimizarea diafoniei (cross talk) trebuie: • Minimizata inductanta traseului (de bucla) • Maximizata capacitatea fata de planul de masa • Se pune intrebarea: cum influenteaza aceste actiuni impedanta caracteristica, Z0 a traseului? TSE - Cursul nr. 9

Caracteristici electrice ale PCBImpedanta caracteristica • Modelul unei linii de transmisie, cu elemente concentrate: TSE - Cursul nr. 9

Caracteristici electrice ale PCBImpedanta caracteristica • Pentru inceput, se considera toate condensatoarele descarcate si toti curentii nuli; • La t=0 se inchide comutatorul si prin RS se aplica semnalul VS la linia de transmisie; • Initial C1 se comporta ca scurtcircuit si astfel I=VS/RS. TSE - Cursul nr. 9

Caracteristici electrice ale PCBImpedanta caracteristica • Curentul I incepe sa incarce condensatorul C1, ceea ce va determina aparitia curentului de intoarcere prin borna inferioara a condensatorului (curent de deplasare). • Impedanta instantanee este ZC1=VLine/I. TSE - Cursul nr. 9

Caracteristici electrice ale PCBImpedanta caracteristica • Pe masura ce condensatorul C1 se incarca, incepe sa treaca curent si prin bobina L1. • Fiecare pereche de inductante (L1 si L2, L3 si L4 s.a.m.d.) este cuplata mutual, astfel incat prin L2 circula un curent de intoarcere la sursa. TSE - Cursul nr. 9

Caracteristici electrice ale PCBImpedanta caracteristica • Incepe si C2 sa se incarce (+ pe armatura superioara, - pe cea inferioara). • La un moment dat, C1 ajunge la incarcarea maxima VC1=VLine=VS-IRS. • Prin C1 nu mai curge curent si impedanta instantanee devine ZC1=∞ iar ZC2=VLine/I. TSE - Cursul nr. 9

Caracteristici electrice ale PCBImpedanta caracteristica • Asemanator, toate condensatoarele ajung sa fie incarcate cu VCn=VLine. • Impedanta instantenee este ZCn=VLine/ICn si tinde la infinit cand fiecare condensator este incarcat la maxim deoarece curentul de transport scade la zero. TSE - Cursul nr. 9

Caracteristici electrice ale PCBImpedanta caracteristica • Impedanta liniei, vazuta dinspre sursa de semnal Vs, este ZLine=VLine/I=VLine/ICn si este dinamica, se deplaseaza pe linie. • Viteza cu care se deplaseaza impedanta instantanee pe linie depinde de inductanta si capacitatea de pe fiecare sectiune. TSE - Cursul nr. 9

Caracteristici electrice ale PCBImpedanta caracteristica • Deoarece impedanta fiecarei sectiuni este aceeasi de-a lungul liniei, impedanta instantanee este denumita impedanta caracteristica a liniei de transmisie si se noteaza cu Z0. TSE - Cursul nr. 9

Caracteristici electrice ale PCBImpedanta caracteristica • electronii se misca incet (1cm/s) dar undele electromagnetice se deplaseaza rapid (aproximativ viteza luminii). • Viteza undei electromagnetice depinde de cat de repede se formeaza sau se disipa campurile magnetice in inductoare si cele electrice in condensatoare, fenomen influentat de proprietatile de material si geometrice ale PCB-urilor prin care trece unda. TSE - Cursul nr. 9

Caracteristici electrice ale PCBImpedanta caracteristica • Viteza campului electromagnetic intr-un material dat se scrie: unde • ε0=8,89x10-12F/m este permitivitatea electrica a vidului • εr este permitivitatea relativa a materialului • μ0=4πx10-7H/m este permeabilitatea vidului • μr este permeabilitatea relativa a materialului TSE - Cursul nr. 9

Caracteristici electrice ale PCBImpedanta caracteristica • Viteza luminii se exprima • Permeabilitatea relativa este 1 pentru majoritatea polimerilor (inclusiv pentru FR4), astfel ca: • Adica, viteza campului electromagnetic in PCB variaza invers proportional cu permitivitatea relativa εr. TSE - Cursul nr. 9

Caracteristici electrice ale PCBImpedanta caracteristica • In practica, relatiile de determinare a inductantelor, a capacitatilor si a impedantelor caracteristice sunt complexe, dependente de geometria circuitului. • Standardele acopera majoritatea situatiilor posibile: TSE - Cursul nr. 9

Caracteristici electrice ale PCBImpedanta caracteristica TSE - Cursul nr. 9

Caracteristici electrice ale PCBReflexii • Ce se intampla cand unda de tensiune VLine ajunge la impedanta de terminatie ZT? • Raspunsul difera in functie de ZT. TSE - Cursul nr. 9

Caracteristici electrice ale PCBReflexii Cazul: ZT circuit deschis • Cand se incarca si ultimul condensator (C5) si VLine ajunge la ZT (→), atunci toate condensatoarele sunt incarcate si curentul ar trebuie sa scada la zero. • Acest lucru nu se intampla deoarece toti inductorii sunt parcursi de curentul ILine si ei nu permit ca ILine sa se opreasca instantaneu. • Campul magnetic din L7 si L8 (cuplate mutual) incearca sa mentina curentul si incarca C5 cu o mica tensiune peste VLine. • Fenomenul se propaga in sensul spre sursa de semnal determinanad cresterea tensiunii de pe fiecare condensator. Apare astfel unda reflectata. TSE - Cursul nr. 9

Caracteristici electrice ale PCBReflexii Cazul: ZT circuit deschis(continuare) • Amplitudinea si polaritatea undei reflectate sunt descrise cu ajutorul coeficientului de reflexie: si are valoarea cuprinsa intre -1 si 1. TSE - Cursul nr. 9

Caracteristici electrice ale PCBReflexii Cazul: ZT circuit deschis(continuare) • Daca ZT>ZLine (ZT→), atunci • ceea ce inseamna ca unda reflectata va avea aceeasi amplitudine si aceeasi polaritate ca unda incidenta. TSE - Cursul nr. 9

Caracteristici electrice ale PCBReflexii Cazul: ZTscurtcircuit • La inceput lucrurile decurg la fel ca in explicatiile generale. Diferente apar cand se ajunge la capatul liniei. Deoarece ZT=0 si inductoarele L7 si L8 vor sa mentina curentul, prin ZT circula ILine. • Caderea de tensiune pe un inductor parcurs de curent constant fiind egala cu zero, C4 vede scurtcircuitul si incepe sa se descarce si, la scurt timp tensiunea pe C4 ajunge la zero (la fel ca pe C5 si ZT). TSE - Cursul nr. 9

Caracteristici electrice ale PCBReflexii Cazul: ZTscurtcircuit(continuare) • La fel se descarca si celelalte condensatoare si fiecare pereche de inductoare isi mentine curentul pana cand toate condensatoarele se descarca. La final, VLine=VZT=0 si astfel ZLine=0/ILine=0Ω iar ILine=VS/RS. • Unda se reflecta cu aceeasi amplitudine dar polaritate negativa. TSE - Cursul nr. 9

Caracteristici electrice ale PCBReflexii Cazul: ZTscurtcircuit(continuare) • In acest caz ZT<ZLine si rezulta ρ=-1 TSE - Cursul nr. 9

Caracteristici electrice ale PCBReflexii Cazul: ZT=50 Ω • Se presupune ca ZCn=50 Ω, RS=50 Ω. Deoarece ZCn=50 Ω rezulta ca si ZLine=50 Ω. ZT fiind egal cu ZLine, rezulta ca VLine=1/2Vs. • Daca ZT este pur rezistiva, nu se reflecta nicio unda de tensiune deoarece nu apar modificari ale tensiunii pe condensatoare si nici ale curentului prin inductoare. TSE - Cursul nr. 9

Caracteristici electrice ale PCBOscilatii (ringing) • Daca sursa de semnal (driver) si sarcina nu au impedanta adaptata la cea a liniei de transmisie sau impedanta caracteristica a liniei de transmisie nu este adaptata la impedantele driver-ului sau sarcinii, apar reflexii. • Intr-un punct anume, de exemplu la sarcina, reflexiile repetate se manifesta ca oscilatii. TSE - Cursul nr. 9

Caracteristici electrice ale PCBOscilatii (ringing) • Marele dezavantaj al ringing-ului este ca nu se poate controla tensiunea din niciun punct. • Pot apare supra sau subcresteri. • Supracresterile pot distruge anumite dispozitive, daca se depasesc tensiunile limita si determina semnale mai mari de interferenta electromagnetica. TSE - Cursul nr. 9

Caracteristici electrice ale PCBOscilatii (ringing) • In circuitele digitale, supra si subcresterile dau comenzi de comutare false, daca se depasesc tensiunile de prag. • In circuitele analogice, interactiunea dintre undele continue de semnal si reflexiile acestora determina aparitia undelor stationare. • Amplitudinea si frecventa oscilatiei (ringing) depind de viteza undei prin linia de transmisie, de lungimea liniei si de coeficientul de reflexie de la fiecare impedanta de discontinuitate. TSE - Cursul nr. 9

Caracteristici electrice ale PCBOscilatii (ringing) • Pentru explicatii se foloseste desenul TSE - Cursul nr. 9

Caracteristici electrice ale PCBOscilatii (ringing) • RT=timpul de crestere a semnalului (rise time) = timpul necesar tranzitiei de la minim la maxim a semnalului de la iesirea circuitului de comanda (driver); • Ltrace=lungimea traseului (liniei de transmisie) de pe PCB; • vp=viteza de propagare a undei, determinata de Z0, care, la randul ei, este determinata de εr si de dimensiunile liniei de transmisie (latimea traseului si distanta pana la planul de masa); TSE - Cursul nr. 9

Caracteristici electrice ale PCBOscilatii (ringing) • PT=timpul de propagare = timpul necesar ca tranzitia sa se propage de la un capat la celalt al liniei de transmisie; • LSE=intinderea spatiala a tranzitiei TSE - Cursul nr. 9

Caracteristici electrice ale PCBOscilatii (ringing) Relatii: [unitati de timp] [unitati de lungime] • Daca Ltrace>LSE, atunci impulsul incape, in intregime, in lungimea traseului si tensiunea reflectata va fi o copie scalata a impulsului, scalarea fiind stabilita de coeficientul de reflexie. TSE - Cursul nr. 9

Caracteristici electrice ale PCBTrasee lungi electric • Traseele unui PCB trebuie astfel proiectate incat timpii de propagare sa nu fie prea mari in comparatie cu timpul de crestere a semnalului util sau lungimea traseului sa nu fie mai mare decat intinderea spatiala a semnalului. • Cand aceste conditii nu se pot indeplini, linia se numeste lunga electric si trebuie tratata ca o linie de transmisie. TSE - Cursul nr. 9

Caracteristici electrice ale PCBTrasee lungi electric • Tratarea corecta a liniei de transmisie presupune adaptarea de impedanta pe intreaga lungime a liniei, atat cu sursa de semnal cat si cu sarcina, astfel neaparand reflexii. • Majoritatea referintelor recomanda ca timpul de propagare pe linie sa fie mai mic decat jumatate din timpul de crestere a semnalului (PT<1/2RT) sau ca lungimea traseului sa fie mai mica decat jumatate din intinderea spatiala a semnalului (Ltrace<1/2LSE). TSE - Cursul nr. 9

Caracteristici electrice ale PCBTrasee lungi electric • Exemplu de linie scurta electric: TSE - Cursul nr. 9

Caracteristici electrice ale PCBTerminatii ale liniilor de transmisie • Pentru eliminarea reflexiilor trebuie asigurata adaptarea de impedanta. Trebuie sa se indeplineasca conditia RS=Z0=RL prin utilizarea unui rezistor in serie cu sursa de semnal si prin conectarea in paralel cu RL a unui rezistor. • Rezistenta serie se determina cu relatia: Rserie=Z0-RS. • Rezistenta paralele se determina cu relatia: Rparalel=(RLZ0)/(RL-Z0). TSE - Cursul nr. 9

Consideratii electrice la rutarea PCB1. Plasarea componentelor • Anterior, plasarea componentelor s-a facut din considerente de fabricabilitate iar acum se considera din punct de vedere a performantelor electrice. • Cele doua considerente se completeaza, de obicei. In caz de conflict, consideratiile electrice au, uzual, prioritate fata de consideratiile mecanice. • Plasarea componentelor din consideratii electrice este determinata de functia indeplinita de circuit. TSE - Cursul nr. 9

Consideratii electrice la rutarea PCB1. Plasarea componentelor • Circuitele analogice sunt sensibile la zgomot si de aceea componentele din aceste circuite trebuie puse la un loc, cu trasee cat mai scurte si mentinand o cale cat mai dreapta pentru semnal (fara zig-zag-uri si treceri de pe o fata pe alta a PCB-ului). • Si la circuitele digitale se recomanda gruparea componentelor care au acelasi rol si linii scurte (de exemplu, gruparea componentelor de viteza mare in vederea scurtarii traseelor). TSE - Cursul nr. 9

Consideratii electrice la rutarea PCB1. Plasarea componentelor • Gruparea componentelor in cazul circuitelor care prelucreaza semnale mixte (analogice si digitale): • Circuitele de putere si cele zgomotoase cat mai aproape de conectori. Se limiteaza astfel planul de intoarcere comun cu celelalte circuite de pe placa; • Circuitele analogice se separa de cele digitale pentru a reduce efectul zgomotului de comutare asupra circuitelor analogice; • Se recomanda plane de masa divizate si izolate (ca in fig.) TSE - Cursul nr. 9

Consideratii electrice la rutarea PCB1. Plasarea componentelor • Plane de masa divizate si izolate in cazul PCB-urilor pentru semnale mixte: TSE - Cursul nr. 9

Consideratii electrice la rutarea PCB2. Aranjarea straturilor unui PCB • Aranjarea straturilor si grosimea lor se stabilesc in momentul in care se face comanda pentru placa si nu in timpul rutarii PCB. • Dar straturile si grosimea lor trebuie definite inainte de a lucra in Layout deoarece se stabilesc astfel numarul de straturi pe care se realizeaza layout-ul si numarul planelor de masa si de alimentare. TSE - Cursul nr. 9

Consideratii electrice la rutarea PCB2. Aranjarea straturilor unui PCB • Strategia de alegere a straturilor depinde si de • capabilitatile fabricantului de PCB, • de densitatea circuitului (de rutare si de componente), • de frecventa (la circuite analogice), • de timpul de crestere/descrestere a semnalului (la circuite digitale), • de pretul acceptat al placii. TSE - Cursul nr. 9

Consideratii electrice la rutarea PCB2. Aranjarea straturilor unui PCB Exemple de aranjamente de straturi: • 4 straturi TSE - Cursul nr. 9

Consideratii electrice la rutarea PCB3. Condensatoare de decuplare • Indeplinesc 2 roluri importante: • Scurtcircuitarea semnalelor de frecventa mare; • Rezervoare de energie. • Se folosesc 2 metode de rutare: • Condensatorul de decuplare rutat inaintea trecerii la planul de alimentare (a); • Rutarea mai intai a trecerii la planul de alimentare (b) TSE - Cursul nr. 9

Consideratii electrice la rutarea PCB3. Condensatoare de decuplare • Metode de rutare: TSE - Cursul nr. 9

TEHNOLOGIA SISTEMELOR ELECTRONICE