Techniki projektowania w przypadku mieszanych sygnałów Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak

Projektowanie schematu i druku z obwodami analogowymi Agenda Projektowanie schematu i druku z obwodami analogowymi Jak minimalizować szumy Uwagi dotyczące zakłóceń elektromagnetycznych (ang. EMI – Electromagnetic Interference) Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak

Projektowanie schematu i druku z obwodami analogowymi Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak

Projektowanie układów zasilania i masy Topics Projektowanie układów zasilania i masy Rozmieszczenie elementów analogowych i cyfrowych Prowadzenie ścieżek sygnałowych Specyficzne uwagi dla obwodów rezonatorów kwarcowych, USB i Ethernet Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak 4

Ważne uwagi dla obwodów zasilania Idealny układ zasilania, może dostarczyć bez opóźnienia nieograniczoną wartość prądu bez spadku napięcia  Zmiana poboru prądu w jednym urządzeniu powoduje zauważalne zmiany napięcia dla innych urządzeń w sieci Zakłócenia w sieci zasilającej mogą wpływać na obwody zasilania elementów pakietu Te rzeczywiste cechy obwodów zasilania można minimalizować przez dodatkowe kondensatory bocznikujące i odprzęgające Obwody zasilania Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak

Dodatkowe kondensatory w obwodzie zasilania Tip #1: Dodać kondensatory zbiorcze i odsprzęgające na wyjściu regulatora oraz mniejsze osprzęgające przy ICs Kondensatory dla zakłóceń w.cz. zapewniają małą impedancję do masy oraz dodatkowe źródło zasilania dla układów scalonych Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak

Kondensatory blokujące Kondensatory umieszczać możliwie blisko pinów zasilania Zapewnić dobre, bezpośrednie połączenie z masą: Prądy AC powinny tworzyć możliwie małą pętlę promieniującą energię Im mniejsza pętla tym mniejsza skuteczność anteny do wysyłania EMI EMI są omawiane dalej Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak

Impedancja kondensatora Dla niższych częstotliwości impedancja kondensatora maleje Najniższą wartość  osiąga przy własnej częstotliwości rezonansowej Powyżej częstotliwości rezonansowej przeważa składowa indukcyjna Program użyty do generacji przebiegu omówiono dalej Plot of a 100nF Capacitor taken using Murata Chip S-Parameter & Impedance Library Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak

Dlaczego dwa kondensatory? Większy kondensator redukuje niższe częstotliwości tętnień sieciowych Mniejszy kondensator filtruje szumy w.cz. Parallel 0402 capacitors and 3mm of signal trace 60 Capacitor Pair 40 20 Impedance (Ohms) Small capacitor’s self resonant frequency Large capacitor’s self resonant frequency -20 -40 -60 0.03 .1 1 3 Frequency (GHz) Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak

Ważne uwagi dotyczące masy Schematy są projektowane dla idealnej ekwipotencjalnej masy, gdzie połączenia do masy maja impedancję zerową W rzeczywistości wszystkie połączenia do masy mają skończoną rezystancję Zmiana prądu każdego z układów scalonych wpływa na inne połączone do tej samej masy Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak

Obszary zaznaczone na czerwono dołączone są do masy Projektowanie masy Tip #2: „Rozlać masę na wolnych powierzchniach płytki – minimalizuje to impedancje masy Zaznaczone obszary są dołączone do masy na drugiej stronie płytki Podczas projektowania należy się upewnić, że wszystkie obszary miedzi są dołączone do masy. Zakłócenia mogą być odbierane przez „pływające” obszary miedzi MCU Obszary zaznaczone na czerwono dołączone są do masy Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak

Zalety „równoległej” masy (1 of 2) „Równoległa” masa zapewnia, że wszystkie ICs mają taką samą masę odniesienia Większa powierzchnia masy oznacza niższe impedancje pasożytnicze, a więc prąd poszczególnych układów ma niewielki wpływ na potencjał masy poszczególnych układów Ground Plane IC Indukcyjność pasożytnicza jest mała (1-3nH) Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak

Zalety „równoległej” masy (2 of 2) Masa otaczająca układy i ścieżki zmniejsza wrażliwość na EMI Płaszczyzna masy stanowi obszar rozpraszania ciepła oraz obniża wahania temperatury, co ma pozytywny wpływ na układy analogowe Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak

Uwagi dotyczące układów analogowych i cyfrowych Układy cyfrowe produkują szumy w.cz., co może wpływać na pracę układów analogowych Izolacja masy analogowej zapobiega zakłóceniom od układów cyfrowych Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak

Podział masy Tip #3: Należy oddzielać masę analogową i cyfrową. Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak

Umieszczenie MCU na płaszczyźnie analogowej W przypadku aplikacji wykorzystujących ADC, mikrokontroler powinien być umieszczony w płaszczyźnie analogowej Cyfrowe peryferia mikrokontrolera będą wprowadzać zakłócenia na płaszczyźnie analogowej ale są one zsynchronizowane z zegarem ADC więc nie będzie wpływu na pomiary Problem synchronizacji zegara próbkującego i zakłóceń jest rozważany dalej

Uwagi dotyczące ścieżek sygnałowych Wszystkie ścieżki sygnałowe mają impedancję, indukcyjność i pojemność pasożytniczą Impedancja rośnie liniową z długością ścieżki jest odwrotnie proporcjonalna do jej szerokości Przelotki i załamania ścieżek zwiększają induktancję ścieżki Uwagi te są istotne w szczególności dla układów pracujących przy dużej częstotliwości

Prowadzenie scieżek Tip #4: Prowadzić krótkie i proste ścieżki z zachowaniem odległości między sąsiednimi, wrażliwymi ścieżkami Przelotki i załamania ścieżek mogą być źródłem zakłóceń Przelotki dodawać tylko w przypadku, gdy nie można inaczej prowadzić ścieżek Unikać załamań pod katem 90 stopni, w zamian stosować załamania 45 stopni

Reguła „3L” Dwie różne ścieżki z wrażliwymi W otoczeniu ścieżek sygnałami analogowymi rozlana masa systemowaPCB Między ścieżkami sygnałowymi zachować odległości „3L”, co wpływa na obniżenie EMI Masa PCB Szerokość trzech ścieżek między ścieżkami

Zewnętrzny rezonator Crystal on PCB with Loading Capacitors Example External Crystal Schematic Źle zaprojektowany obwód rezonatora może być źródłem zakłóceń w.cz.

Rozmieszczenie elementów zewnętrznych rezonatora Tip #5: Ścieżki do zewnętrznego rezonatora i pojemności powinny być możliwie najkrótsze. Ścieżki do pojemności powinny być równej długości. Loading capacitor traces equal in length Długie ścieżki do rezonatora są bardziej podatne na zakłócenia, co może powodować nieprzewidywalne efekty. Pojemność ładowania kwarcu wzrasta z długością ścieżki, a nierówne ścieżki mogą prowadzić do przekroczenia parametrów specyfikowanych dla kwarcu. Loading Capacitors Crystal will be soldered here

Układ USB USB zawiera trzy sygnały: D+, D-, i VBUS Zakłócenia mogą przenosić się z kabla i zewnętrznych systemów przez złącze USB na płytkę modułu Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak

Obwody zabezoieczajace USB Tip #6: Należy dodać diody zabezpieczające aby zapobiec zakłóceniom a nawet uszkodzeniom systemu Złącze USB Zabezpieczającamacierz diodowa Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak

Ethernet Złącze Ethernet’owe Kontroler Ethernet, podobnie jak USB, zapewnia MCUs wysokiej prędkości komunikację z urządzeniami zewnętrznymi Oprócz prowadzenia ścieżek krótkich i równej długości należy zachować uwagę przy projektowaniu połączeń z portem Ethernet (zakłócanie innych sygnałów) Złącze Ethernet’owe Kontroler Ethernet’u MCU

Schemat obwodów Ethernet Tip #7: Redukcja promieniowania zakłóceń od ścieżek przez wprowadzenie kondensatorów 0.001uF na linie TX+ i TX- zapewnia odniesienie sygnałów do wspólnej masy Kondensatory powinny być umieszczone na płytce blisko siebie

Podsumowanie zasad projektowania PCB Wprowadzać w obwodach zasilania pojemności odprzęgające i wspomagające Projektować powierzchnie miedzi połączone z masą Separować ścieżki układów cyfrowych i analogowych W przypadku sygnałów wrażliwych prowadzić krótkie i proste ścieżki z zachowaniem odpowiednich odstępów, możliwie bez odstępów W przypadku zewnętrznego rezonatora kwarcowego projektować ścieżki krótkie i równej długości Należy dodać diody zabezpieczające na sygnałach USB W celu redukcji zakłóceń od Ethernet’u należy dołączyć pojemności między masą a sygnałami różnicowymi TX

Jak sobie radzić z zakłóceniami

Rodzaje szumów Ta sekcja opisuje różne rodzaje zakłóceń i omawia techniki, które można zastosować, aby zminimalizować ich skutki Typy zakłóceń omawiane w tej sekcji: Szum biały/gaussowski Szum cieplny Szumy 1/f Skorelowany szum cyfrowy Szum okresowy

Szum biały/gaussowski Definicja: Szum biały ma płaskie widmo –zakłócenia mają taką samą moc dla wszystkich częstotliwości Wytwarzane przez: Wszystkie przewodniki elektryczne Graph from www.Wikipedia.com

Techniki redukcji szumu białego/gaussowskiego Efekty szumów można redukować przez: Uśrednianie próbek ADC Nie wymaga zewnętrznego sprzętu Wykorzystywać tylko pasmo niezbędne do pozyskiwania i uśredniania próbek Na wejściach analogowych, wprowadzać filtry dolno-przepustowe Nawet prosty układ RC zwiększa efektywność, kondensator stanowi źródło ładunku dla ADC Dodawanie wielostopniowych filtrów dolnoprzepustowych z aktywnych elementów obwodu np. wzmacniaczy operacyjnych, zwiększa impedancję wejściową i dodatkowo poprawia jakość przetwarzania analogowego

Graph from www.Wikipedia.com Szum cieplny Definicja: Szum gaussowski charakterystyczny dla wszystkich przewodników; zmienny z temperaturą Wytwarzany przez: Pobudzenie nośników ładunku we wszystkich komponentach rezystancyjnych – amplituda szumu termicznego rośnie ze wzrostem temperatury i rezystancji Graph from www.Wikipedia.com

Techniki redukcji szumu cieplnego Efekty szumu mogą być redukowane przez: Dobór odpowiednich wartości rezystorów, szczególnie używanych w obwodach wzmacniaczy na wejściach ADC

Graph from www.Wikipedia.com Szum 1/f Definicja: Szumy o gęstości mocy widma częstotliwości około 1/f, gdzie moc maleje ze wzrostem częstotliwości; zwykle najbardziej widoczne poniżej 2 kHz Wytwarzane przez: Obserwowane dla takich elementów jak rezystory i tranzystory CMOS Graph from www.Wikipedia.com

Techniki redukcji szumu 1/f Efekty redukowane przez: Zastosowanie stabilizowanych wzmacniaczy z kluczowaniem

Skorelowany szum cyfrowy Definicja: Zakłócenia harmoniczne Wytwarzane przez: Emitowane od sygnałów wysokich częstotliwości, takich jak UART lub oscylator zewnętrzny Graph from www.Wikipedia.com

Techniki redukcji skorelowanego szumu cyfrowego Efekty redukowane przez : Projektować ścieżki możliwie krótkie i proste Separować masę cyfrową i analogową Jeśli zakłócenia są okresowe, to synchronizować zegar próbkowania z zegarem zakłócającym, jak pokazano dalej

Szum okresowy Definicja: Zakłócenia synchronizowane z zegarem systemowym zarówno na PCB jaki zewnętrznych modułach Wytwarzane przez: zewnętrzny system lub zakłócenia ICs na płytce

Techniki redukcji szumu okresowego Efekty można redukować przez: Synchronizację próbkowania ADC ze źródłem zakłóceń Synchronizacja powoduje, że zakłócenia próbek ADC stanowią stały błąd, który można odjąć od wyników przetwarzania

Przykład szmów okresowych MCU przechwytuje zakłócenia audio MCU Zakłócający IC Wejście ADC Mikrofon Szumy emitowane do ścieżki Źródło zegara

Idealny sygnał DC Bez żadnych zakłóceń sygnał DC na wejściu ADC będzie wyglądał następująco:

Sygnał z szumem okresowym Zakłócenia od pobliskich układów dodają się do sygnału analogowego Sygnał cyfrowy na ścieżce w pobliżu Sygnał DC z zakłóceniem Sygnał DC

PCB z zewnętrznym źródłem zegarowym Zapewnienie tego samego źródła sygnału nie usunie zakłócenia ale będzie synchronizować dźwięk z okresem pobierania próbek MCU Zakłócające IC Mikrofon Wyjście zegara CMOS wspólne dla IC i MCU Szum okresowy jest nadal obecny , ale teraz występuje dokładnie w tym samym momencie podczas każdej próbki AC Źródło zegara

Sygnał z synchronizacją szumów Sygnał DC będzie teraz wyglądał jak niżej Szum pojawi się jako offset sygnału Ten offset może być odjęty od wartości próbki Przesunięcie DC spowodowane przez zsynchronizowany szum

Podsumowanie zakłóceń szumowych Różne typy zakłóceń wymagają różnych technik ich redukowania w sygnale analogowym W wielu przypadkach właściwy projekt może ograniczyć wpływ źródeł zakłóceń

Zakłócenia elektromagnetyczne (EMI)

Przegląd EMI Elektroniczne urządzenia wykorzystujące sygnały wysokiej częstotliwości produkują EMI, które mogą znacznie zmniejszyć efektywność wrażliwych obwodów, takich jak anteny GPS. W wielu przypadkach, staranny projekt  sprzętu może ograniczyć lub wyeliminować wpływ źródła zakłóceń. Projektowanie w celu redukcji zakłóceń pola elektromagnetycznego jest ważne, ponieważ przy braku EMI można uniknąć działania na inne urządzenia Poniższa sekcja opisuje, jak wytwarzane są EMI  i w jaki sposób rozważny projekt płytki może zminimalizować ich skutki

Co to jest EMI? EMI jest zjawiskiem niepożądanym generowaniem energii z niezamierzonych nadajników, takich jak cyfrowy IC, do odbiornika Emisja EMI dzieli się na dwa rodzaje: Emisja przewodzenia – Energia zakłócająca pochodząca od ścieżek płytki Emisja promieniowania – Energia zakłócająca pochodząca bezpośrednio z cyfrowego układu scalonego

Redukcja EMI od przewodników za pomocą kondensatorów Dodanie kondensatorów do wszystkich pinów zasilania: Jeden większy (1 uF cap) do filtrowania niskiej częstotliwości Jeden mniejszy (10-100 pF) do filtrowania wysokich częstotliwości Narzędzia projektowe, takie jak np. „S-Parameter & Impedance Library firmy Murata”, umożliwiają użytkownikom określenie częstotliwości rezonansowej i impedancji kondensatorów dla różnych częstotliwości www.murata.com/designlib/mcsil/index.html Tworzenie możliwie najmniejszej pętli między zasilaniem, kondensatorem i masą

EMI od przewodników w cyfrowych liniach sygnałowych Cyfrowe linie sygnałowe mogą przewodzić energię EMI z rdzenia urządzenia do innych elementów PCB Obszar zaznaczony na żółto pokazuje ścieżki pinów portu, które mogą emitować zakłócenia elektromagnetyczne

Identyfikowanie i redukcja EMI od styków portów Wyizolowanie i zidentyfikowanie źródła EMI, poprzez selektywne włączanie i wyłączanie komponentów płyty Na przykład przez selektywne włączanie układów peryferyjnych MCU Zakłócenia EMI emitowane przez szpilki portu można redukować przez: Sprawdzenie czy na szpilki nie są wyprowadzane sygnały cyfrowe o wysokiej częstotliwości z układów wewnętrznych MCU Zastosowanie na szpilkach emitujących EMI, filtrów niskiej częstotliwości

EMI emitowane przez obudowę układu Układ cyfrowy może emitować energię EMI przez obudowę Ekranowanie taśmą miedzianą układu scalonego pomaga w identyfikacji układu scalonego jako źródła EMI EMI promieniowania można redukować przez: Ekranowanie układu scalonego Przez projektowanie płaszczyzn masy („rozlanie” masy) z krótkimi połączeniami do szpilek masy IC oraz stosowanie kondensatorów obejściowych Unshielded IC on PCB IC shielded with copper tape

Uwarunkowania EMI na poziomie systemu Niektóre problemy związane z EMI mogą być spowodowane przez sposób, w jaki zaprojektowano PCB, złącza i anten Zakłócenia EMI na poziomie systemu można zredukować przez: Umieszczenie źródła szumów i odbiornika szumu po przeciwnych stronach płytki, tak aby płaszczyzna uziemienia znajdowała się między nimi. Umieszczanie anteny jak najdalej od źródeł szumów, takich jak cyfrowe układy scalone Zachować szczególną uwagę podczas prowadzenia ścieżek wysokiej częstotliwości do złączy płytki, ponieważ większość złączy ma słabe ekranowanie i słabe połączenie z masą

EMI - Podsumowanie Zakłócenia EMI mogą być promieniowane przez ścieżki płytki oraz cyfrowe układy scalone Te źródła zakłóceń mogą być kontrolowane przez staranne projektowanie PCB: Dodawanie kondensatorów odsprzęgających do źródeł napięcia Ścieżki generujące EMI projektować jako możliwie najkrótsze Umieszczanie źródeł szumów EMI po jednej stronie PCB a wrażliwych komponentów, na które mogą mieć wpływ EMI, po drugiej stronie Ekranowanie cyfrowych układów scalonych emitujących EMI

Pytania?

www.silabs.com/MCU