Appunti teorici di Costruzioni elettroniche

COMPONENTI E ELEMENTI PARASSITI

I componenti che costituiscono i circuiti elettrici reali non risultano caratterizzati dal solo parametro principale, ma presentano delle proprietà resistive e reattive che prendono il nome di parametri parassiti che determinano uno scostamento dal circuito ideale.

Questi elementi parassiti sono:

• resistenza dei collegamenti
• induttanza di un collegamento
• mutua induttanza tra i collegamenti
• capacità di un collegamento verso massa
• mutua capacità tra due collegamenti

Gli effetti dovuti ai parassiti (quali: l'induttanza di un collegamento, la capacità di un collegamento verso massa, la mutua capacità tra due collegamenti e la mutua induttanza tra i collegamenti) non solo sono sempre presenti in un circuito reale ma dipendono anche dalla geometria, della realizzazione fisica e dalle condizioni di funzionamento del circuito.

La resistenza parassita è la normale resistenza elettrica associata al conduttore di

collegamenti tra dispositivi. Questi fenomeni possono causare interferenze elettromagnetiche e disturbi nella trasmissione dei segnali. Per mitigare questi effetti indesiderati, è possibile utilizzare schermature elettromagnetiche, isolamenti tra i collegamenti e l'uso di conduttori con bassa induttanza e bassa capacità parassita. Inoltre, è importante progettare i circuiti in modo da minimizzare l'interazione tra i diversi collegamenti e ridurre al minimo la presenza di capacità mutue. In conclusione, l'induttanza parassita e la capacità parassita sono fenomeni da tenere in considerazione nella progettazione dei circuiti, specialmente nei sistemi digitali, al fine di garantire una corretta trasmissione dei segnali e evitare interferenze e disturbi.

terminazioni.

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PROGETTAZIONE DIGITALE E REGOLA DEL 5%:

La progettazione digitale in alta frequenza, al contrario di quella a bassa frequenza, pone l'attenzione sul comportamento dei componenti passivi presenti in un circuito quali: collegamenti, PCB, etc.

Questi elementi influenzano il comportamento del sistema in alta frequenza.

A frequenze basse il collegamento si comporta effettivamente come un cortocircuito, ma a frequenze alte questo non è vero: solo una connessione corta e ampia può essere considerata come un corto, in tutti gli altri casi è più corretto considerare il collegamento come un induttore piuttosto che un cortocircuito.

Il vero problema, tuttavia, non è la frequenza ma la pendenza del fronte del segnale; infatti, la dispersione dello spettro in frequenza del segnale è conseguenza della durata del fronte.

Di salita del segnale, non della sua frequenza di funzionamento. Per stabilire se la connessione è lunga o corta posso utilizzare la regola del 5%. Data la lunghezza d'onda di un segnale sinusoidale e la lunghezza della connessione L, se L < 1/20 (ovvero il 5% della lunghezza d'onda) allora la connessione è corta, in caso contrario è lunga.

La regola del 5% vale per i segnali sinusoidali, per gli altri segnali bisogna riferirsi ad altre grandezze caratteristiche del segnale come:

• il tempo di salita e discesa del segnale
• il ritardo di propagazione sulla connessione

VELOCITA DI RISPOSTA:

Il problema della velocità di risposta di una porta logica non è dato dalla frequenza di lavoro della porta ma dalla velocità con cui manda dal basso all'alto il segnale di uscita (ovvero il fronte di salita del segnale).

Questo perché ho una limitazione dello spettro del segnale. Per frequenze inferiori a Fknee nel diagramma di Bode si verifica un abbassamento drastico dell'ampiezza del segnale. Quindi, se lavoro a frequenze superiori a Fknee, l'uscita della porta sarà distorta e il segnale che mi trovo sul circuito sarà un segnale non corretto.

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MICROSTRIP E STRIPLINE:

Le parole stripline e microstrisce si riferiscono a diversi metodi di instradamento di linee di trasmissione ad alta velocità nel progetto di PCB.

La STRIPLINE nel PCB è una linea di trasmissione circondata da materiale dielettrico e sospesa tra due piani di massa sugli strati interni di un circuito stampato. Il suo vantaggio è che, avendo due piani di massa, non sono dispersive e cioè hanno un buon isolamento tra piste adiacenti. Il contro è che

sono più complicate da produrre). La MICROSTRISCIA è una linea di trasmissione tracciata sullo strato esterno del circuito (per questo è separata da un singolo piano di terra con un materiale di elettrico). Il vantaggio della microstrip è che ha migliori caratteristiche di segnale, minore distorsione è minore crosstalk (il contro è che ha perdite più alte e minore potenza sopportabile). ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- LINEA DI TRASMISSIONE: Le linee di trasmissione sono il mezzo materiale o il complesso che costituisce il percorso da un punto ad un altro per convogliare la trasmissione di energia. Le linee di trasmissione si suddividono in due macrocategorie: con perdite e linee senza perdite. Una linea si dice senza perdite quando R è G tendono a 0 (le linee nei PCB sono senza perdite) e il vantaggio di una linea senza perdite è che ilsul carico, si evitano le riflessioni del segnale. Questo viene fatto utilizzando un componente chiamato terminatore, che ha lo stesso valore di impedenza del carico. In questo modo, il segnale viene completamente assorbito dal terminatore e non viene riflesso indietro lungo la linea. TERMINAZIONE SUL DRIVER:Inserendo una terminazione sul driver, si evitano le riflessioni del segnale all'inizio della linea. Anche in questo caso, viene utilizzato un terminatore con lo stesso valore di impedenza del driver. In questo modo, il segnale viene completamente assorbito dal terminatore e non viene riflesso indietro verso il driver. È importante notare che la scelta di dove inserire la terminazione dipende dalle specifiche del sistema e dalle caratteristiche del segnale. In alcuni casi, può essere necessario utilizzare entrambe le terminazioni per ottenere una corretta trasmissione del segnale lungo la linea.sul carico (con valore pari all'impedenza caratteristica Z0 = R1) il segnale del driver si propaga con la massima ampiezza verso il carico, tutte le riflessioni all'uscita della linea sono smorzate dal resistore di terminazione e il segnale ricevuto dal carico ha la stessa ampiezza di quello trasmesso (il segnale arriva al carico con un ritardo pari al tempo di propagazione della linea per la sua lunghezza). Questo modo di terminare una linea difficilmente viene utilizzato nei sistemi digitali a causa dell'elevata corrente necessaria a mantenere un'uscita a livello logico alto. Per risolvere questo problema si può pensare di utilizzare una terminazione di tipo parallelo (chiamata Split Termination o Thevenin Termination) dove il valore della resistenza equivalente data dal parallelo tra R1 e R2 deve essere pari a Z0. La potenza dissipata sul carico è inversamente proporzionale all'impedenza di terminazione. Una linea con biforcazione non.può essere correttamente terminata in quanto nel punto di separazione A si ha una discontinuità con conseguente riflessione del segnale e questo può provocare ringing. Per ridurre il consumo di potenza di questo tipo di terminazione si può ricorrere all'inserimento di una capacità in serie alla resistenza di terminazione. TERMINAZIONE SUL DRIVER: Nella terminazione sul driver si inserisce una terminazione resistiva tra il driver e la linea. In questo tipo di terminazione il segnale fornito dal generatore si propaga nella linea con larghezza dimezzata sino all'uscita della linea. Sul carico, l'effetto di riflessione del segnale è pari a +1 (ovvero circuito aperto), quindi il segnale riflesso interferisce costruttivamente facendo assumere così al segnale risultante l'ampiezza originale. Il segnale riflesso si propaga verso la sorgente e si smorza senza riflessione sulla resistenza di terminazione, in questo istante la corrente.

fornita dal driver si annulla. Sistemi in cui sono presenti i driver sia tristate possono incontrare problemi di ringing. Per ridurre i fronti del segnale possiamo utilizzare 4 approcci:

• aggiungere un terminatore in serie ad ogni driver
• aggiungere un terminatore sul carico
• aggiungere una terminazione intermedia nella linea della rete (da evitare)
• aggiungere una resistenza serie da ogni incrocio

COLLEGAMENTO DI MASSA E REGOLA DI RENT:

Quando si affronta il progetto di un circuito stampato bisogna sempre considerare:

• quanti strati sono necessari e come usarli
• come distribuire masse e alimentazione
• come garantire l'integrità dei segnali

Sappiamo che a basse frequenze le correnti tendono a seguire il percorso con minore resistenza, ad Alte frequenze invece le correnti di ritorno tendono ad addensarsi al di sotto del percorso di andata del segnale.

garantendo la minima induttanza. Siccome il campo magnetico associato alla corrente di ritorno può concatenarsi con una seconda linea di collegamento ci si possono attendere fenomeni di crosstalk (diafonia). Per ridurre tali fenomeni bisogna stare attenti a non obbligare la corrente di ritorno sul piano di massa ad allontanarsi dalla pista di segnale, dobbiamo quindi evitare che le piste passino sopra interruzioni del piano di massa. Per quanto riguarda la scelta e la segnalazione degli strati possiamo fare affidamento alla regola di RENT, la quale afferma che considerando una scheda quadrata è possibile dividerla in 4 quadranti. Metà dei collegamenti resta in terra a quel quadrante mentre l'altra metà va verso gli altri quadranti. Dividendo ciascun quadrato in 4 quadrati è possibile dimostrare che la lunghezza media dei collegamenti è 3/8L. Per circuiti semplici e a bassa frequenza possiamo usare PCB stampati a semplice e a doppia faccia.invece per circuiti con un'alta densità di collegamenti e che operano ad alte frequenze, potrebbe essere necessario utilizzare tecniche avanzate di progettazione e layout. Questo perché la presenza di molti collegamenti e la velocità di funzionamento del circuito possono causare problemi come interferenze e ritardi di segnale. Per gestire questi problemi, è possibile utilizzare tecniche come il routing differenziale, che prevede l'utilizzo di coppie differenziali di tracce per ridurre l'interferenza elettromagnetica. Inoltre, è importante prestare attenzione alla disposizione dei componenti e dei collegamenti, cercando di minimizzare la lunghezza delle tracce e di evitare incroci e sovrapposizioni. Inoltre, è possibile utilizzare tecniche di schermatura e isolamento per ridurre l'interferenza elettromagnetica tra i diversi componenti del circuito. Questo può includere l'utilizzo di strati di rame di terra, schermi metallici o isolanti dielettrici. Infine, è importante tenere conto delle proprietà elettriche dei materiali utilizzati nel circuito, come la velocità di propagazione del segnale e la perdita di segnale. Questo può influire sulla scelta dei materiali per le tracce e sui parametri di progettazione del circuito. In conclusione, la progettazione e il layout dei circuiti ad alta densità di collegamenti e ad alte frequenze richiedono attenzione e competenze specifiche. Utilizzando tecniche avanzate e tenendo conto delle proprietà elettriche dei materiali, è possibile ottenere circuiti affidabili e performanti.