Il routing del PCB ha un impatto significativo sulla compatibilità elettromagnetica del circuito stampato. Per garantire il corretto funzionamento del circuito sul PCB, il routing deve essere ottimizzato in base ai vincoli descritti in questo documento. Ciò include la disposizione di componenti/connettori e circuiti di disaccoppiamento utilizzati per alcuni circuiti integrati.
I. Selezione del materiale PCB
Selezionando razionalmente i materiali dei PCB e i percorsi di routing per i circuiti stampati, è possibile ottenere linee di trasmissione con un basso accoppiamento con altre linee. Quando la distanza d tra i conduttori della linea di trasmissione è inferiore alla distanza dai conduttori adiacenti, è possibile ottenere un accoppiamento inferiore o una ridotta diafonia.
Prima della progettazione, è possibile selezionare la forma di PCB più economica in base ai seguenti criteri:
Requisiti EMC
· Densità PCB
· Capacità di assemblaggio e produzione
· Capacità del sistema CAD
· Costi di progettazione
· Quantità PCB
· Costi di schermatura elettromagnetica
Quando si utilizzano strutture di prodotto con involucro non schermato, è necessario prestare particolare attenzione al costo complessivo del prodotto, al packaging dei componenti, alla configurazione dei pin, al fattore di forma del PCB, alla schermatura dei campi elettromagnetici, alla costruzione e all'assemblaggio. In molti casi, la scelta di un fattore di forma del PCB appropriato può eliminare la necessità di aggiungere una scatola di schermatura metallica all'interno dell'involucro in plastica.
Per migliorare l'immunità dei circuiti analogici ad alta velocità e di tutte le applicazioni digitali, riducendo al contempo le radiazioni nocive, sono necessarie tecniche basate su linee di trasmissione. A seconda della conversione del segnale di uscita, è necessario rappresentare le linee di trasmissione tra S-VCC, S-VEE e VEE-VCC, come mostrato in Figura 1.
La corrente del segnale è determinata dalla simmetria dello stadio di uscita del circuito. Per MOS, IOL = IOH, mentre per TTL, IOL > IOH.
Tipo di funzione/logica ZO(Ω)
Alimentazione (tipica) <<10
ECL Logic 50
Logica TTL 100
Logica HC(T) 200
II. Linee di segnale e circuiti di segnale
Le linee di segnale devono essere instradate il più vicino possibile ai rispettivi circuiti di segnale per impedire la radiazione dall'area del circuito chiuso e ridurre la permeabilità magnetica della tensione indotta dal circuito.
In genere, quando la distanza tra due linee è uguale alla larghezza della linea, il coefficiente di accoppiamento è pari a circa 0,5-0,6, riducendo l'autoinduttanza effettiva da 1 μH/m a 0,4-0,5 μH/m.
Ciò implica che una quantità compresa tra 40% e 50% della corrente del circuito del segnale fluisce liberamente verso altre linee sul PCB.
Durante una transizione da un livello alto a un livello basso nei circuiti logici TTL, la corrente di sink supera la corrente di source. In questi casi, la linea di trasmissione è tipicamente definita tra Vcc e S, anziché tra VEE e S. L'uso di anelli di ferrite consente il controllo completo delle correnti che scorrono sia nella linea di segnale che nella linea di ritorno del segnale.
Nei conduttori paralleli, l'impedenza caratteristica della linea di trasmissione è influenzata dalla ferrite. Nei cavi coassiali, invece, la ferrite influenza solo i parametri esterni del cavo.
Pertanto, le tracce adiacenti dovrebbero essere il più strette possibile, mentre le tracce impilate verticalmente dovrebbero essere opposte (tipicamente distanziate meno di 1,5 mm/lo spessore della resina epossidica in una scheda a doppio strato). Il routing dovrebbe posizionare ciascuna traccia di segnale e il suo percorso di ritorno il più vicino possibile (applicabile sia alle tracce di segnale che a quelle di potenza). Se l'accoppiamento tra i conduttori della linea di trasmissione è insufficiente, è possibile utilizzare anelli di ferrite.
III. Disaccoppiamento IC
Il disaccoppiamento dei circuiti integrati è in genere ottenuto esclusivamente tramite condensatori. Poiché i condensatori sono imperfetti, può verificarsi risonanza. Al di sopra della frequenza di risonanza, i condensatori si comportano come induttori, limitando la velocità di variazione della corrente (di/dt). I valori dei condensatori sono determinati dal ripple di tensione di alimentazione consentito tra i pin del circuito integrato. In base alla pratica di progettisti esperti, il ripple di tensione dovrebbe essere inferiore a 25% della tolleranza al rumore nel caso peggiore della linea di segnale.
Per circuiti logici veloci, se il condensatore di disaccoppiamento contiene un'induttanza in serie significativa (che può derivare dalla struttura del condensatore, da cavi lunghi o da tracce del PCB), il valore della capacità potrebbe diventare inefficace. In tali casi, è necessario aggiungere un piccolo condensatore ceramico aggiuntivo (100-100 pF) il più vicino possibile al pin del circuito integrato, collegato in parallelo al condensatore di disaccoppiamento "LF-". La frequenza di risonanza del condensatore ceramico (inclusa la lunghezza della traccia al pin di alimentazione del circuito integrato) deve superare la larghezza di banda del circuito logico [1/(π.τr)], dove τr è il tempo di salita della tensione nel circuito logico.
Quando ogni circuito integrato ha il proprio condensatore di disaccoppiamento, le correnti del circuito del segnale possono scegliere il percorso più conveniente (VEE o VCC), determinato dall'accoppiamento reciproco tra tracce del segnale e tracce di potenza.
Si forma un circuito risonante in serie tra i due condensatori di disaccoppiamento (uno per circuito integrato) e l'induttanza Ltrace della traccia di potenza. Questa risonanza si verifica solo a basse frequenze (<1 MHz) o quando il fattore Q del circuito risonante è basso (<2).
Collegando una bobina di arresto ad alta perdita RF in serie tra la rete Vcc e il circuito integrato che richiede il disaccoppiamento, la frequenza di risonanza può essere mantenuta al di sotto di 1 MHz. Se la perdita RF è troppo bassa, può essere compensata aggiungendo resistori in parallelo o in serie.
La bobina di arresto deve sempre utilizzare un nucleo chiuso; in caso contrario, potrebbe trasformarsi in un trasmettitore RF o in un sensore di campo magnetico.
Esempio: 1MHz*1μHz Z1=6,28Ω Rs=3,14Ω Q<2 Rp=12,56Ω
Al di sopra della frequenza di risonanza, l'impedenza caratteristica Z0 della "linea di trasmissione" (dove l'impedenza del circuito integrato è trattata come un carico di alimentazione) è uguale a: Z0 = √(Ltraccia/Cdisaccoppiamento).
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