Upload
others
View
1
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
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)
Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak
Projektowanie schematu i druku
z obwodami analogowymi
Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak
4
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
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
Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak
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
Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak
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
Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak
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
Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak
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)
Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak
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
Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak
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
Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak
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
Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak
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
Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak
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
Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak
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
Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak
23
Obwody zabezoieczajace USB
Tip #6: Należy dodać diody zabezpieczające aby zapobiec
zakłóceniom a nawet uszkodzeniom systemu
Złącze USB
Zabezpieczająca
macierz
diodowa
Oprac. na podstawie Silabs - Z. Kubiak
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
Graph from www.Wikipedia.com
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
Graph from www.Wikipedia.com
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
Graph from www.Wikipedia.com
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
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