Techniki projektowania w przypadku...

Techniki projektowania

w przypadku mieszanych

sygnałów

Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak

2

Agenda

Projektowanie schematu i

druku z obwodami

analogowymi

Jak minimalizować szumy

Uwagi dotyczące zakłóceń

elektromagnetycznych (ang. EMI – Electromagnetic

Interference)


Projektowanie schematu i druku

z obwodami analogowymi


4

Topics

Projektowanie układów zasilania i masy

Rozmieszczenie elementów analogowych

i cyfrowych

Prowadzenie ścieżek sygnałowych

Specyficzne uwagi dla obwodów rezonatorów

kwarcowych, USB i Ethernet


5

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


6

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

IC

Bulk Decoupling and

Bypass Capacitors

Typical Values:

15µF and 1.0µFVoltage

Regulator

IC

PCB Power

Connection

Local Decoupling and

Bypass Capacitors

Typical Values:

0.01µF and 1.0µF


7

Vias To

Ground

Plane

Voltage

Supply Pin

Silicon

Laboratories MCU

Ground

Pin

Connections close

to minimize loop

area between VDD

and GND

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


8

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


9

Dlaczego dwa kondensatory?

Większy

kondensator

redukuje niższe

częstotliwości

tętnień sieciowych

Mniejszy

kondensator filtruje

szumy w.cz.

0.03 3 .1 1 Frequency (GHz)

Parallel 0402 capacitors and 3mm of signal trace

-60

-40

-20

0

20

40

60

Capacitor Pair

Large capacitor’s

self resonant

frequency

Small capacitor’s

self resonant

frequency

Imp

ed

an

ce

(O

hm

s)


10

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


11

Projektowanie masy

Tip #2: „Rozlać masę na wolnych powierzchniach płytki –

minimalizuje to impedancje masy

Obszary zaznaczone na czerwono dołączone są do masy

MCU

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 Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak

12

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 IC IC

Indukcyjność

pasożytnicza

jest mała (1-3nH)

13

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


14

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


15

Podział masy

Tip #3: Należy

oddzielać masę

analogową i

cyfrową.

Silicon

Laboratories

MCU

(in Analog Plane)

Digital

IC

Digital

IC

Lin

e D

river

Analog

IC

Power

Supply

Tie Ground Planes in one place,

close to the power supply

Digital Ground Plane Analog Ground Plane

Analog Ground Currents

Digital Ground Currents

Digital Common-Mode

Return Currents Can Cross

Ground Plane Separation

Due to Capacitance. Use at

least 1/8" separation


16

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

17

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

18

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

19

Reguła „3L”

Między ścieżkami

sygnałowymi zachować

odległości „3L”, co wpływa

na obniżenie EMI

Dwie różne ścieżki z wrażliwymi

sygnałami analogowymi

Szerokość trzech ścieżek między ścieżkami

W otoczeniu ścieżek rozlana masa systemowaPCB

PCB

Masa

20

Zewnętrzny rezonator

Example External Crystal

Schematic

Crystal on PCB with Loading Capacitors

Źle zaprojektowany obwód rezonatora może być źródłem

zakłóceń w.cz.

21

Rozmieszczenie elementów zewnętrznych rezonatora

Tip #5: Ścieżki do zewnętrznego rezonatora i pojemności

powinny być możliwie najkrótsze. Ścieżki do pojemności

powinny być równej długości.

Crystal will be soldered here

Loading

capacitor

traces

equal in

length

Loading

Capacitors

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.

22

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


23

Obwody zabezoieczajace USB

Tip #6: Należy dodać diody zabezpieczające aby zapobiec

zakłóceniom a nawet uszkodzeniom systemu

Złącze USB

Zabezpieczająca

macierz

diodowa


24

Ethernet

Kontroler

Ethernet’u MCU

Złącze Ethernet’owe 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)

25

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

26

Podsumowanie zasad projektowania PCB

1. Wprowadzać w obwodach zasilania pojemności odprzęgające i wspomagające

2. Projektować powierzchnie miedzi połączone z masą

3. Separować ścieżki układów cyfrowych i analogowych

4. W przypadku sygnałów wrażliwych prowadzić krótkie i proste ścieżki z zachowaniem odpowiednich odstępów, możliwie bez odstępów

5. W przypadku zewnętrznego rezonatora kwarcowego projektować ścieżki krótkie i równej długości

6. Należy dodać diody zabezpieczające na sygnałach USB

7. W celu redukcji zakłóceń od Ethernet’u należy dołączyć pojemności między masą a sygnałami różnicowymi TX

Jak sobie radzić z zakłóceniami

28

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

29

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

30

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

31

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


32

Techniki redukcji szumu cieplnego

Efekty szumu mogą być redukowane przez:

Dobór odpowiednich wartości rezystorów, szczególnie używanych w obwodach wzmacniaczy na wejściach ADC

33

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

34

Techniki redukcji szumu 1/f

Efekty redukowane przez:

Zastosowanie stabilizowanych wzmacniaczy z kluczowaniem

35

Skorelowany szum cyfrowy


Definicja:

Zakłócenia harmoniczne

Wytwarzane przez: Emitowane od

sygnałów wysokich częstotliwości, takich jak UART lub oscylator zewnętrzny

36

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

37

Szum okresowy

Vo

lta

ge

Time

Definicja:

Zakłócenia synchronizowane z zegarem systemowym zarówno na PCB jaki zewnętrznych modułach

Wytwarzane przez:

Zewnętrzny system lub zakłócenia ICs na płytce

38

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

39

Przykład szmów okresowych

MCU przechwytuje zakłócenia audio

MCU

Zakłócający IC

Wejście ADC

Mikrofon

Szumy emitowane

do ścieżki

Źródło zegara

Źródło zegara

40

Idealny sygnał DC

Vo

lta

ge

Time

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

41

Sygnał z szumem okresowym

Vo

lta

ge

Time

Vo

lta

ge

Time

Vo

lta

ge

Time

Sygnał DC Sygnał cyfrowy na

ścieżce w pobliżu

Sygnał DC z

zakłóceniem

Zakłócenia od pobliskich układów dodają się do sygnału analogowego

42

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

Periodic noise is still

present , but now occurs at

exactly the same instant

during every ADC sample

Źródło

zegara

43

Sygnał z synchronizacją szumów

Vo

lta

ge

Time

DC Offset caused by

synchronized noise

Sygnał DC będzie teraz wyglądał jak niżej Szum pojawi się jako offset sygnału

Ten offset może być odjęty wartości próbki

44

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)

46

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

47

Co to jest EMI?

EMI jest zjawiskiem

niepożądanym gene

rowaniem energii

z niezamierzonych

nadajników, takich

jak cyfrowy IC, do

odbiornika

EMI be divided into two types:

Conducted Emissions - Spurious energy coming from a signal trace

Radiated Emissions - Spurious energy coming directly from a digital IC

Digital

ICGPS

Receiver

Ext. Crystal

48

Redukcja EMI od przewodników za pomocą kondensatorów

Add capacitors to all power supply pins:

One large (1 uF cap) for “bulk” filtering

One small (10-100 pF) for RF filtering

Design tools such as Murata’s S-Parameter & Impedance

Library utility allow users to determine the self resonant

frequency and impedance of capacitors at various

frequencies

This utility can be found at

www.murata.com/designlib/mcsil/index.html

Form the smallest possible loop between the power supply,

capacitor and ground

http://www.murata.com/designlib/mcsil/index.html

49

EMI od przewodników w cyfrowych liniach sygnałowych

Digital signal lines can

conduct EMI energy

from the core of the

device to other

components of the

PCB

Area in yellow shows port pin

traces that could radiate EMI

50

Identyfikowanie i redukcja EMI od styków portów

Isolate and identify the EMI source by selectively enabling

and disabling board components

For example, the crossbar of an MCU could selectively enable

peripherals one at a time

Port pin-radiated EMI can be eliminated by:

Checking to see that no unwanted signals (especially high frequency digital signals such as the system clock) are routed out the crossbar

Applying filtering, such as a small low-pass filter, to port pins radiating EMI

51

EMI emitowane przez obudowę układu

A digital IC may radiate some energy from its package

Shielding an IC with copper tape can help to isolate and identify the IC as an EMI source

Radiated EMI can be reduced by: Shielding the IC

Design using a ground plane with short, direct connections to ground from any device ground pins and bypass capacitors

Unshielded IC on PCB IC shielded with copper

tape

52

System Level EMI Considerations

Some EMI issues can be caused by the way the PCB,

connectors and antennas are designed

System level EMI can be reduced by:

Placing the noise generator and the noise receiver on opposite sides

of the board, so that ground plane lies between them

Placing the antenna as far away as possible from noise generators

such as digital ICs

Using caution when routing high frequency signals though board

connectors, as most connectors have little shielding and poor

connection with ground

53

EMI - Podsumowanie

EMI can radiate from signal traces and digital ICs

This source of noise can be controlled by careful board

design, focusing on:

Adding decoupling capacitors to the voltage supply

Keeping signal traces that radiate EMI as short as possible

Placing EMI noise sources on one side of the board, and sensitive

components that might be effected by EMI on the other side

Adding shielding to digital ICs that radiate EMI

Pytania?

www.silabs.com/MCU

Techniki projektowania w przypadku...

Documents

Transcript of Techniki projektowania w przypadku...