Techniki projektowania w przypadku mieszanych sygnaw Oprac na

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

Agenda ¨ Projektowanie schematu i druku z obwodami analogowymi ¨ Jak minimalizować szumy ¨ Uwagi dotyczące zakłóceń elektromagnetycznych (ang. EMI – Electromagnetic Interference) 2 Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak

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

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

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 5 Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak Obwody zasilania

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 6 Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak

Kondensatory blokujące ¨ Kondensatory umieszczać możliwie blisko pinów zasilania ¨ Zapewnić dobre, bezpośrednie połączenie z masą: Ø Prądy AC powinny tworzyć możliwie małą pętlę promieniującą energię Ø Im mniejsza pętla tym mniejsza skuteczność anteny do wysyłania EMI ¨ EMI są omawiane dalej 7 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 8 Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak Plot of a 100 n. F Capacitor taken using Murata Chip S-Parameter & Impedance Library

Dlaczego dwa kondensatory? ¨ Mniejszy kondensator filtruje szumy w. cz. 60 Capacitor Pair 20 0 Large capacitor’s self resonant frequency -20 -40 -60 9 Parallel 0402 capacitors and 3 mm of signal trace 40 Impedance (Ohms) ¨ Większy kondensator redukuje niższe częstotliwości tętnień sieciowych 0. 03 Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak . 1 Small capacitor’s self resonant frequency Frequency (GHz) 1 3

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 10 Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak

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 11 Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak MCU Obszary zaznaczone na czerwono dołączone są do masy

Zalety „równoległej” masy (1 of 2) ¨ „Równoległa” masa IC IC IC zapewnia, że wszystkie ICs mają Indukcyjność pasożytnicza taką samą masę jest mała (1 -3 n. H) odniesienia Ground Plane ¨ Większa powierzchnia masy oznacza niższe impedancje pasożytnicze, a więc prąd poszczególnych układów ma niewielki wpływ na potencjał masy poszczególnych układów 12 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 13 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 14 Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak

Podział masy ¨ Tip #3: Należy oddzielać masę analogową i cyfrową. 15 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 16

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 17

Prowadzenie scieżek ¨ Tip #4: Prowadzić krótkie i proste ścieżki z zachowaniem odległości między sąsiednimi, wrażliwymi ścieżkami Ø Przelotki i załamania ścieżek mogą być źródłem zakłóceń Ø Przelotki dodawać tylko w przypadku, gdy nie można inaczej prowadzić ścieżek Ø Unikać załamań pod katem 90 stopni, w zamian stosować załamania 45 stopni 18

Reguła „ 3 L” Dwie różne ścieżki z wrażliwymi sygnałami analogowymi W otoczeniu ścieżek rozlana masa systemowa. PCB ¨ Między ścieżkami sygnałowymi zachować odległości „ 3 L”, co wpływa na obniżenie EMI Masa PCB Szerokość trzech ścieżek między ścieżkami 19

Zewnętrzny rezonator Example External Crystal Schematic Crystal on PCB with Loading Capacitors ¨ Źle zaprojektowany obwód rezonatora może być źródłem zakłóceń w. cz. 20

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 21 ¨ Długie ścieżki do rezonatora są bardziej podatne na zakłócenia, co może powodować nieprzewidywalne Loading efekty. Capacitors ¨ Pojemność ładowania kwarcu wzrasta z długością ścieżki, a nierówne ścieżki mogą prowadzić do przekroczenia parametrów specyfikowanych dla kwarcu. 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 22 Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak

Obwody zabezoieczajace USB ¨ Tip #6: Należy dodać diody zabezpieczające aby zapobiec zakłóceniom a nawet uszkodzeniom systemu Złącze USB Zabezpieczająca macierz diodowa 23 Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak

Ethernet ¨ 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) MCU 24 Złącze Ethernet’owe Kontroler Ethernet’u

Schemat obwodów Ethernet Tip #7: Redukcja promieniowania zakłóceń od ścieżek przez wprowadzenie kondensatorów 0. 001 u. F na linie TX+ i TX- zapewnia odniesienie sygnałów do wspólnej masy Kondensatory powinny być umieszczone na płytce blisko siebie 25

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 26

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: Ø Szum biały/gaussowski Ø Szum cieplny Ø Szumy 1/f Ø Skorelowany szum cyfrowy Ø Szum okresowy 28

Szum biały/gaussowski Definicja: ¨ Szum biały ma płaskie widmo – zakłócenia mają taką samą moc dla wszystkich częstotliwości Wytwarzane przez: ¨ Wszystkie przewodniki elektryczne 29 Graph from www. Wikipedia. com

Techniki redukcji szumu białego/gaussowskiego Efekty szumów można redukować przez: ¨ Uśrednianie próbek ADC Ø Nie wymaga zewnętrznego sprzętu Ø Wykorzystywać tylko pasmo niezbędne do pozyskiwania i uśredniania próbek ¨ Na wejściach analogowych, wprowadzać filtry dolnoprzepustowe Ø Nawet prosty układ RC zwiększa efektywność, kondensator stanowi źródło ładunku dla ADC Ø Dodawanie wielostopniowych filtrów dolnoprzepustowych z aktywnych elementów obwodu np. wzmacniaczy operacyjnych, zwiększa impedancję wejściową i dodatkowo poprawia jakość przetwarzania analogowego 30

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 31 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 32

Szum 1/f Definicja: ¨ Szumy o gęstości mocy widma częstotliwości około 1/f, gdzie moc maleje ze wzrostem częstotliwości; zwykle najbardziej widoczne poniżej 2 k. Hz Wytwarzane przez: ¨ Obserwowane dla takich elementów jak rezystory i tranzystory CMOS Graph from www. Wikipedia. com 33

Techniki redukcji szumu 1/f Efekty redukowane przez: ¨ Zastosowanie stabilizowanych wzmacniaczy z kluczowaniem 34

Skorelowany szum cyfrowy Definicja: ¨ Zakłócenia harmoniczne Wytwarzane przez: ¨ Emitowane od sygnałów wysokich częstotliwości, takich jak UART lub oscylator zewnętrzny Graph from www. Wikipedia. com 35

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 36

Szum okresowy Definicja: ¨ Zakłócenia synchronizowane z zegarem systemowym zarówno na PCB jaki zewnętrznych modułach Wytwarzane przez: ¨ zewnętrzny system lub zakłócenia ICs na płytce 37

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 38

Przykład szmów okresowych ¨ MCU przechwytuje zakłócenia audio Szumy emitowane do ścieżki Źródło zegara Zakłócający IC MCU Mikrofon 39 Wejście ADC Źródło zegara

Idealny sygnał DC ¨ Bez żadnych zakłóceń sygnał DC na wejściu ADC będzie wyglądał następująco: 40

Sygnał z szumem okresowym ¨ Zakłócenia od pobliskich układów dodają się do sygnału analogowego Sygnał DC 41 Sygnał cyfrowy na ścieżce w pobliżu Sygnał DC z zakłóceniem

PCB z zewnętrznym źródłem zegarowym ¨ Zapewnienie tego samego źródła sygnału nie usunie zakłócenia ale będzie synchronizować dźwięk z okresem pobierania próbek Wyjście zegara CMOS wspólne dla IC i MCU Zakłócające IC Źródło zegara MCU Mikrofon 42 Szum okresowy jest nadal obecny, ale teraz występuje dokładnie w tym samym momencie podczas każdej próbki AC

Sygnał z synchronizacją szumów ¨ Sygnał DC będzie teraz wyglądał jak niżej Ø Szum pojawi się jako offset sygnału Ø Ten offset może być odjęty od wartości próbki Przesunięcie DC spowodowane przez zsynchronizowany szum 43

Podsumowanie zakłóceń szumowych ¨ Różne typy zakłóceń wymagają różnych technik ich redukowania w sygnale analogowym ¨ W wielu przypadkach właściwy projekt może ograniczyć wpływ źródeł zakłóceń 44

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 46

Co to jest EMI? ¨ EMI jest zjawiskiem niepożądanym gene rowaniem 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 47

Redukcja EMI od przewodników za pomocą kondensatorów ¨ Dodanie kondensatorów do wszystkich pinów zasilania: Ø Jeden większy (1 u. F cap) do filtrowania niskiej częstotliwości Ø Jeden mniejszy (10 -100 p. F) 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 48

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 49

Identyfikowanie i redukcja EMI od styków portów ¨ Wyizolowanie i zidentyfikowanie źródła EMI, poprzez selektywne włączanie i wyłączanie komponentów płyty Ø Na przykład przez selektywne włączanie układów peryferyjnych MCU ¨ Zakłócenia EMI emitowane przez szpilki portu można redukować przez: Ø Sprawdzenie czy na szpilki nie są wyprowadzane sygnały cyfrowe o wysokiej częstotliwości z układów wewnętrznych MCU Ø Zastosowanie na szpilkach emitujących EMI, filtrów niskiej częstotliwości 50

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 Unshielded IC on PCB IC shielded with copper tape ¨ EMI promieniowania można redukować przez: Ø Ekranowanie układu scalonego Ø Przez projektowanie płaszczyzn masy („rozlanie” masy) z krótkimi połączeniami do szpilek masy IC oraz stosowanie kondensatorów obejściowych 51

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: Ø Umieszczenie źródła szumów i odbiornika szumu po przeciwnych stronach płytki, tak aby płaszczyzna uziemienia znajdowała się między nimi. Ø Umieszczanie anteny jak najdalej od źródeł szumów, takich jak cyfrowe układy scalone Ø Zachować szczególną uwagę podczas prowadzenia ścieżek wysokiej częstotliwości do złączy płytki, ponieważ większość złączy ma słabe ekranowanie i słabe połączenie z masą 52

EMI - Podsumowanie ¨ Zakłócenia EMI mogą być promieniowane przez ścieżki płytki oraz cyfrowe układy scalone ¨ Te źródła zakłóceń mogą być kontrolowane przez staranne projektowanie PCB: Ø Dodawanie kondensatorów odsprzęgających do źródeł napięcia Ø Ścieżki generujące EMI projektować jako możliwie najkrótsze Ø Umieszczanie źródeł szumów EMI po jednej stronie PCB a wrażliwych komponentów, na które mogą mieć wpływ EMI, po drugiej stronie Ø Ekranowanie cyfrowych układów scalonych emitujących EMI 53

Pytania?

www. silabs. com/MCU