Návrh obvodů a plošných spojů: číslicové obvody, vznik a minimalizace rušení.

Úvodwww.elweb.cz
Nelekejte se trochy teorie úvodem, snažil jsem se ji napsat tak, aby mohla být při troše snahy pochopena i standardním bastlířem. Bez této teorie by mohly být navazující rady a poučky házením hrachu na stěnu ;)
www.elweb.cz
Impulzní proudový odběr logických obvodůwww.elweb.cz
V tomto článku bude řeč především o digitální technice, ve které dochází ke vzniku rušení nejen při vysokých frekvencích, ale často i při nízkých. Digitální integrované obvody zpravidla využívají technologie komplementárních tranzistorů. Každé hradlo má na výstupu dva komplementární tranzistory (dva tranzistory podobných parametrů, jeden s kanálem P a druhý N respektive PNP a NPN - něco podobného, jako jsou koncové tranzistory audio zesilovače ve třídě AB), přičemž zde jeden zajišťuje logickou jedničku (spíná výstup ke kladnému pólu napájecího napětí), ten druhý logickou nulu (spíná výstup k zemi). Problém nastává při změně logické úrovně, kdy jsou na okamžik oba tranzistory v sepnutém stavu, takže "zkratují" napájecí napětí. Z toho vyplývá impulzní proudový odběr hradla, který dosahuje po dobu jednotek nano sekund jednotky až desítky miliampér. V TTL obvodech jsou v hradlech bipolární tranzistory, které mají zpravidla menší odpor v "sepnutém" stavu. Obvody určené pro vyšší frekvence mají zpravidla také menší výstupní odpor, protože musejí dokázat v krátkém čase náběžné nebo sestupné hrany (řádově nano sekundy - 10^-9s) nabít respektive vybít parazitní kapacity, které jsou nejen na jejich výstupech, ale i na vstupech navazujících obvodů a v celé konstrukci. Navíc VF obvody mají kratší časy náběžných a sestupných hran výstupního signálu. To všechno jsou předpoklady pro vznik ještě vyšších a užších proudových impulzů odběru hradel při změně logické úrovně výstupu. Navíc je v různých čipech různý počet hradel a pokud mění logickou úroveň více hradel najednou (což je typické například pro procesory, mikrokontroléry a podobné obvody) tyto proudy se sčítají. Z toho, co bylo dosud napsáno, vyplývá první rada:
www.elweb.cz
Nepoužívejte zbytečně rychlé obvody. Pokud vaše zařízení pracuje s frekvencemi například v řádech desítek kHz, je nejen zbytečné, ale nežádoucí používat obvody, které jsou schopny pracovat na frekvencích například stovek MHz.
www.elweb.cz
Fourierův rozvoj...www.elweb.cz
Jestli vám má ve vašem zapojení blikat obyčejná led dioda nikterak vysokou frekvencí (jednotky Hz), ale vy ji připojíte na rychlé hradlo a myslíte si pak, že váš obvod přece nemůže vyzařovat rušení o frekvenci stovek MHz, jste na omylu. Může.
www.elweb.cz
Každý periodický signál lze rozložit (podle Fourierova rozvoje) na harmonické složky.
www.elweb.cz

www.elweb.cz
Tento obrázek ukazuje, jak se dá složit "obdélník" (ten zvlněný) ze čtyř harmonických složek (o frekvencích 1f, 3f, 5f, a 7f.) přidáváním dalších a dalších lichých harmonických by byl obdélník stále dokonalejší - méně zvlněný. Až pro případ nekonečného množství harmonických složek (tedy i nekonečné frekvence) dostaneme opravdu dokonalý obdélník.
www.elweb.cz
Pro vysvětlení: Každý signál (v našem případě graf závislosti napětí nebo proudu na čase), který je periodický, je složený z množství "sinusovek" s různou frekvencí, počáteční fází a amplitudou. Jakýkoli periodický signál lze matematickými operacemi rozložit na tyto "sinusovky". Harmonický signál je právě takový signál, jehož průběh je sinusový. Proto se jednotlivým složkám říká harmonické.www.elweb.cz
Obdélníkový signál obsahuje nekonečné množství lichých harmonických složek. A pokud je rychlá náběžná respektive sestupná hrana, což je u rychlých obvodů základní požadavek, najdeme v takovémto rozvoji harmonické složky (ony "sinusovky") s frekvencemi v řádech stovek MHz i vyššími a to s nezanedbatelnými amplitudami.
www.elweb.cz
Takovéto frekvence už způsobují rušení šířící se po desce plošného spoje, po napájení, po přívodních kabelech, dokonce i vyzařováním v podobě elektromagnetických vln do okolí jako z antény nějakého vysílače. Rušení může následně způsobit nejrůznější chyby, které se často velmi obtížně hledají. Jedná se například o chybné rozpoznání vstupní úrovně, krátkodobý pokles napájecího napětí (a to třeba jen lokální), který může způsobit chybnou funkci obvodu, u mikrokontrolérů i reset. Nebo dokonce vznik vyššího napětí než je napájecí na parazitních indukčnostech (což jsou veškeré spoje, vývody...), které může vést v extrémním případě k destrukci některých obvodů. Dále překročení šumové imunity napájecího napětí, což vede zpravidla opět ke špatnému "porozumění" vstupnímu signálu nebo k celkově chybné funkci a tak dále. Dále se do toho všeho přidávají vlivy ostatních slabin konstrukce, kterými jsou například zemní smyčky, již zmíněné parazitní indukčnosti, příliš dlouhá vedení, nechtěné štěrbinové antény a podobně.
www.elweb.cz
A to je stále případ, kdy má obdélníkový signál frekvenci jen jednotky Hz. Opravdové problémy začínají, pokud má celé zařízení přímo pracovat s vysokými frekvencemi. A například taková taktovací frekvence mikrokontroléru 20MHz je už zcela jistě "vysoká".
www.elweb.cz
Způsoby minimalizace rušení.www.elweb.cz

Napájecí piny co nejblíže u sebe. Vždy je potřeba minimalizovat plochu smyčky, po které protéká proud. Pokud tedy proud teče od nějakého zdroje po nějakých vodičích k vývodu pinu integrovaného obvodu a poté z druhého vývodu vytéká a vrací se zpět do zdroje, tato jeho "cesta" pro nás bude představovat smyčku. Pokud máme zmenšit plochu této smyčky, je třeba nejen zkrátit přívodní vodiče (což ovšem někdy není zcela možné), ale především je vést co nejblíže u sebe, čímž se fyzická plocha této smyčky podstatně zmenší. To je také jeden z důvodů, proč je dobré používat moderní obvody, které mají napájecí vývody hned vedle sebe a ne zastaralé typy (například převážná část řady TTL74xx), u kterých bývají napájecí vývody v protějších rozích pouzdra a z důvodů kompatibility se stále vyrábějí v takovýchto pouzdrech.
www.elweb.cz
Minimalizovat vzdálenosti, používat raději SMD součástky Ze stejného důvodu jako v předchozím odstavci, je potřeba zmenšit plochy smyček na minimum. SMD součástky umožňují vytvořit kratší spoje a navíc nemají drátěné vývody, které rovněž zapříčiňují vznik parazitních indukčností.
www.elweb.cz
Rozmístění součástek podle blokového schématu. Nikdy by blízko vedle sebe neměly být umístěny obvody pracující s nízkou frekvencí a obvody pracující s vysokou frekvencí, protože by se navzájem rušily a to všemi možnými způsoby (viz výše). Obdobné pravidlo platí i v analogové technice, kde by u sebe nikdy neměly být obvody pracující s malou a velkou amplitudou.
www.elweb.cz
Uzemnit vodivé konstrukční části Přes kapacitní vazbu (prostě vzduchem) se například na neuzemněný chladič může dostat rušení a tento chladič se pak začne chovat jako anténa a vysílá rušení dále. Proto je potřeba nejen chladiče, ale třeba i distanční sloupky a podobné prvky uzemnit.
www.elweb.cz
Rozlévat zem U dvoj (a více) -vrstvých plošných spojů je třeba vytvořit plochu mědi připojenou na zem. A také je třeba ji vytvořit správně. Vše souvisí opět se snahou minimalizovat plochu proudových smyček, ale tentokrát už není řeč jen o napájení, ale jakýchkoli proudových smyček, tedy i těch signálových. Což by bylo při tažení země jako obyčejného vodiče problematické, spíše nemožné. Daleko snadněji se minimalizuje vzdálenost signálového spoje od země tím, pokud bude signál z jedné a zem z druhé strany desky. Zem by měla být rozlita tak, aby po ní mohl téct proud mezi jakýmikoli dvěma body téměř přímočaře. V této ploše mohou - a většinou kvůli montáži klasických součástek, prokovům nebo tažení spojů na této vrstvě musejí - být mezery bez uzemněné měděné plochy. Tyto mezery však nesmějí být příliš "dlouhé" a sousední mezery se nesmějí dotýkat.
www.elweb.cz
Zem na okrajích Na obou (ve všech) vrstvách desky plošných spojů by měla být na okrajích zem, aby nedocházelo k tzv. bočnímu vyzařování, a také proto, že hrozí menší riziko poškození citlivých obvodů statickou elektřinou při manipulaci, (protože člověk bere desky obvykle za okraje.)
www.elweb.cz
Blokace napájecího napětí pomocí kondenzátorů
www.elweb.cz
Pokračování příště...
www.elweb.cz
Poznámka: Inspirací pro vznik tohoto článku byly mé zápisky z přednášek předmětu X34PPN, který přednáší pan Ing. Vít Záhlava, CSc. na naší škole (FEL ČVUT, http://www.fel.cvut.cz/cz).
www.elweb.cz


obrázek/schéma ve formátu gif
obrázek/schéma ve formátu gif
obrázek/schéma ve formátu gif