Curs CTAE

CAPITOLUL 1

Proiectarea placilor de cablaj pentru sistemele de mare viteza

Acest capitol presupune ca cititorul este familiarizat cu componentele analogice pentru a analiza circuite simple, placi de cablaj de baza precum si circuite digitale. Scopul acestui capitol este de a creea o placa de cablaj care sa permita o buna calitate a semnalului cand se traseaza caile.

1.1 Obiectivele de studiat

Dupa citirea acestui capitol, o sa fi capabil sa executi urmatoarele sarcini:

• Priectarea sistemului de distributie a puterii pentru un cablaj(PCB) in scopul minimizarii zgomotului;

• Proiectarea straturilor unei placi de cablaj pentru semnale, putere si masa astfel incat sa creasca calitatea semnalului si sa se micsoreze zgomotul;

• Includerea unor structuri de test in PCB pentru a putea descoperi usor greselile din productie;

• Determinarea marimii ideale cailor pentru a minimize impactul asupra calitatii semnalului;

1.2 Sistemul de distribuitie a puterii multistrat

Sistemul de putere intr-un sistem digital trebuie sa ofere referinte de tensiune stabile pentru toate dispozitivele logice. Dispozitivele digitale sunt de regula foarte zgomotoase si introduc acel zgomot in sistemul de putere. Sursa de putere poate filtra o parte din acest zgomot la frecvente joase, dar dar la frecvente mari acest zgomot trebuie filtrat utilizand componente passive de pe placa.

Cel mai important concept al acestei sectiuni este Legea lui Ohm care se aplica inductoarelor(bobinelor). Bobinele sunt vazute ca scurtcircuit atata timp cat un curent neintrerupt trece prin ele. Pe masura ce curentul se schimba, bobinele se opun acestei schimbari. Rezultatul este o diferenta tensiune de-a lungul bobinei. Principala problema a puterii este aceea ca toate firele reale au o inductanta finita, dar mica. Aceasta inductanta nu conteaza intr-un circuit decat daca prin ea trece o cantitatea mare de curent alternativ.Intr-un semnal ac, curentul circula intr-o singura directie, iar apoi se schimba si circula in cealalta directie. Cu cat acest lucru se intampla mai des, cu atat tensiunea ce cade pe bobina va fi mai mare. Deasemenea , pe masura ce frecventa semnalului creste, cu atat firele normale se comporta ca niste bobine.

O sursa de alimentare este proiectata sa produca o tensiune specifica indiferent daca furnizeaza o cantitate mica de curent sau o cantitate mare de curent. Pe masura ce nevoia de curent creste , sursa de alimentare trebuie sa furnizeze un current mai mare pentru a mentine o tensiune stabila. Intr-un circuit digital tipic, nevoia de current se schimba proportional cu viteza de comutare a portilor. Astfel, la frecvente mari de operare, necesitatea de curent se schimba rapid. Aceasta creeaza o mare schimbare a curentului prin fire de la sursa de alimentare catre dispozitivele logice. Inductanta acestor fire devine o problema in mentinerea unei tensiuni stabile de-a lungul intregului circuit digital.Aceste fire includ tot metalul prin care circula curentul cum ar fi capetele chip-ului,pinii pachetului, traseele de pe placa de circuit, precum si cablurile catre sursa de alimetare. Aceasta inductanta parazita reprezinta nenorocirea tuturor sistemelor de distributie a puterii.

Intr-un circuit ideal, orice dispozitiv logic este alimentat cu o tensiune uniforma.Aceasta implica o impedanta nula prin firele de alimentare a acelor dispozitive. Intr-un circuit real, aceste fire au o impedanta finite care poate produce diferente de tensiune pe fiecare dispozitiv.Astfel, scopul proiectarii unui sistem de putere bun, este acela de a micsora impedanta pe calea de la sursa de alimentare catre fiecare poarta a unui circuit si apoi inapoi catre masa .Aceasta implica, deasemenea o impedanta mica pe traseul de la sursa catre masa.

Sursele de alimentare au o impedanta foarte mica; insa firele, cablurile si caile placii de circuit care se conecteaza la dispozitive logice nu au. Acest acblaj poarta numele de legare distribuita a alimentarii. Elementul rezistiv al unei impedante relativ mari poate fi compensat prin adaugarea unor fire de sens la capatul cablarii distribuite, pentru a realize o reactie catre sursa de alimentare. Alternativ, crescand dimensiunea acestor fire sau cai, va duce la descresterea rezistentei.

Inductanta in legarea distribuita a alimentarii nu poate fi compensata prin cresterea dimensiunii firelor sau prin implementarea unor fire de sens. Inductanta din firele de la sursa de alimentare catre placa de circuit va incetini raspunsul sursei de alimentare la schimbarile cererii de putere. Daca necesitatea de putere creste fara a furniza mai mult current catre placa de circuit, tensiunea vazuta la dispozitivele logice va creste. Dispozitivele logice tipice sunt capabile sa accepte numai o diferenta in tensiune de ±5%, asfel ca sursa de alimentare tot trebuie sa furnizeze nivele de tensiune stabile.

O prima solutie posibila este aceea de a reduce rata schimbarii cererii de current. Acest lucru se poate realize prin micsoraea frecventei ceasului sau a slew rate pentru dispozitivele logice;oricum, prin definitie circuitele de mare viteza opereaza deasupra a cativa kilohertzi facand ca aceasta optiune san u fie posibila. Solutia alternative este aceea de a utiliza condensatoare de decuplare pentru a furniza/stoca un extra current.

Condensatoare de decuplare

Condensatoarele de decuplare sunt condensatoare care conecteaza atat la sursa cat si la masa. Conectarea unor condensatoare de decuplare pe placa de circuit poate furniza energie in plus atunci cand sursa de alimentare nu poate raspunde rapid; insa, acestea nu constituie o sursa nelimitata de energie. Condensatoarele stocheaza energie datorita capacitatii lor( capacitate mare inseamna mai multa energie stocata). Cu o proiectare buna, condensatoarele vor fi capabile sa furnizeze aceasta energie in plus pana cand sursa de alimentare va putea compensa schimbarea. Condensatoarele pot opera deasemena si in sens invers: sa stocheze energie cand cererea de energie scade.

Condensatoarele de decuplare au o limitare semnificativa. Condensatoarele au o inductanta parazita si o rezistenta parazita in principal rezultata din terminale. Ca o regula, condensatoarele mari au o inductanta parazita mare. Acesta poate fi modelat ca un mic inductor ce se afla pe ambele parti ala condensatorului, darin mod normal acesti inductori sunt combinati in unul singur. Aceasta va limita rata la care curentul poate fi furnizat de catre condensator. Astfel, condensatoarele mari furnizeaza mai multa energie, dar cu o rata mica. Condensatoarele mici furnizeaza o energie mult mai mica, dar la o rata foarte rapida. Ca o consecinta a acestui fapt, condensatoarele de decuplare sunt aranjate pe o placa de circuit de la condensatoare de mare capacitate pana la condensatoare de mica capacitate.

Inductanta din terminalele condensatorului depinde de capsula(pachet). Un fir mai scurt are o inductanta mai mica, deci un terminal scurt va avea tot o inductanta mica. Astfel, pentru o anumita capacitate trebuie sa alegem cea mai mica capsula(sau cel mai mic pachet). Condensatoarele montate pe suprafata placii sunt cele mai mici condensatoare disponibile. Dintre acestea amintim pe cele cu valori ale capacitatii de 2.2µF pana la 0.01µF, de tipul X7R,X5R sau NP0, utilizate datorita inductantei lor foarte mici(usual mai mica de 2nH). Pentru valori mari ale capacitatii sunt utilizate condensatoarele electrolitice cu inductanta mica.

Terminalele unui condensator prezinta deasemenea si o rezistenta, dar care este foarte mica. Aceasta poarta numele de rezistenta serie efectiva(ESR) si poate fi modelata ca un resistor in serie cu un condensator. Aceasta rezistenta are valori de fractiuni de ohm.

Impedanta bobinelor si condensatoarelor are urmatoare forma:

Curs prezentat la Universitatea Pitesti in anul universitar 2008-2009