Considerazioni sulla progettazione di circuiti stampati per cristalli e oscillatori

Disegnare il circuito stampato per accogliere i componenti e fare in modo che funzionino al meglio è un'attività complessa; un esempio sono i segnali di clock e il relativo instradamento. Seguendo alcune regole standard del settore, è possibile ridurre al minimo i problemi di interferenza elettromagnetica senza dover ricorrere a formule complesse e a costosi strumenti di simulazione.

Il motivo per cui il layout del PCB diventa sempre più importante è la tendenza a ridurre le dimensioni della scheda e ad aumentare l'integrazione. Fattori di forma più piccoli ed elettronica a basso consumo comportano altre considerazioni. Più alte sono le frequenze di commutazione, maggiore sarà la radiazione generata. Con un layout valido, molti problemi relativi alle emissioni EMI possono essere ridotti al minimo per soddisfare le richieste specifiche. Di seguito sono elencate alcune raccomandazioni che ECS Inc. International suggerisce di seguire come buona prassi ingegneristica.

•  Linee guida per la progettazione di circuiti stampati (PCB) del cristallo
• •  Collegare il cristallo e i condensatori di carico esterni sul PCB il più vicino possibile ai pin di ingresso e di uscita dell'oscillatore del chip.
• •  La lunghezza delle tracce del circuito di oscillazione deve essere la più breve possibile e non deve incrociare altre linee di segnale.
• •  Evitare le curve ad angolo retto sulle tracce.
• •  Assicurarsi che i condensatori di carico CX1, CX2 e CX3, nel caso di utilizzo di un cristallo di terza armonica, abbiano un piano di massa comune.
• •  I loop devono essere il più piccoli possibile per ridurre al minimo il rumore accoppiato attraverso il PCB e per ridurre al massimo le parassitiche.
• •  Non disporre lo schema di massa (GND) sotto l'unità di cristallo.
• •  Non far passare linee di segnale digitali/RF o di alimentazione sotto l'unità di cristallo per i PCB multistrato.

•  Linee guida per la progettazione del circuito stampato (PCB) dell'oscillatore
• •  Disporre l'oscillatore sul PCB il più vicino possibile ai pin di ingresso del carico o del chip.
• •  La lunghezza delle tracce deve essere la più breve possibile e non deve incrociare altre linee di segnale.
• •  Evitare le curve ad angolo retto sulle tracce. La capacità aumenta nell'area degli angoli a 45°, modificando l'impedenza caratteristica della traccia e generando riflessioni. Questo problema può essere attenuato arrotondando gli angoli retti.
• •  Utilizzare una terminazione in serie per ridurre le onde stazionarie tra la sorgente e la terminazione. Si costruisce inserendo un resistore in serie il più vicino possibile al pin di uscita dell'oscillatore. Per una corretta corrispondenza di impedenza, l'impedenza di output del driver di clock più il resistore terminale in serie deve essere uguale all'impedenza della traccia.
• •  Mantenere le tracce di uscita differenziali il più possibile vicine e della stessa lunghezza. Questo aumenta il fattore di accoppiamento tra le tracce, portando il rumore in modalità comune, che è meno problematica per uno stadio di ingresso differenziale.
• •  È buona norma che l'oscillatore sia collegato al piano di massa comune.
• •  Non disporre lo schema di massa (GND) sotto l'unità di cristallo, in quanto ciò aggiunge capacità parassita.
• •  Non far passare linee di segnale digitali/RF o di alimentazione sotto gli oscillatori per i circuiti stampati multistrato, in quanto ciò comporta un aumento del rumore.

Layout dell'oscillatore Pierce
I punti precedenti sono importanti per l'applicazione degli oscillatori pierce utilizzati dai microprocessori. Di seguito sono riportati il circuito e il layout tipico di un oscillatore Pierce che utilizza un cristallo a 4 piedini.

Oscillatore tipico in cristallo/circuito di risonanza Pierce

Oscillatore tipico Pierce in cristallo PCB

Il loop dell'oscillatore in cristallo ha una bassa impedenza di ingresso alla frequenza dell'oscillatore, ma una caratteristica di alta impedenza di ingresso al di fuori della gamma di frequenza di risonanza. Questa caratteristica di alta impedenza è vulnerabile alle EMI quando viene applicato un campo elettrico nelle vicinanze. La tecnologia più recente ha limitato il livello del segnale dell'oscillatore a <1 V, rendendolo più suscettibile.

Per evidenziare l'importanza di mantenere bassa la capacità parassita del PCB, si evidenzia la Cs nel calcolo. Più basso è il CL del cristallo, maggiore è l'impatto della capacità parassita del PCB sul progetto.

I collegamenti a terra dei condensatori di carico C1/C2 devono essere mantenuti il più corti possibile per evitare correnti di terra con altri circuiti. Molto spesso i pin XTAL IN e XTAL OUT sono adiacenti sul processore. La capacità parassita può essere un problema, per cui le tracce devono essere disposte il più lontano possibile l'una dall'altra, pur mantenendole corte.

• •  Le capacità tipiche osservate possono essere:
• •  XTAL IN a massa: 1pF
• •  XTAL OUT a massa: 2pF
• •  XTAL IN a XTAL OUT: 0,5pF

I tipi di cristallo più comuni hanno custodie termosaldate, in cui il coperchio è collegato elettricamente ai pin di massa. Con questo tipo di pacchetto si consiglia di mettere a terra i pin per ridurre il potenziale di EMI dal coperchio. Si noti che i pacchetti termosaldati offrono prestazioni migliori. Il metodo alternativo di sigillatura è costituito da cristalli sigillati in vetro e, grazie a questo processo, il coperchio è isolato dai pin di massa. Con questo tipo di pacchetto, non è consigliabile mettere a terra i pin di massa del cristallo.

Compatibilità elettromagnetica (EMC)
La compatibilità elettromagnetica è la capacità dei componenti, delle apparecchiature e dei sistemi elettrici di funzionare come previsto nel loro ambiente. Ciò avviene limitando la generazione, la propagazione e la ricezione involontaria di energia elettromagnetica. Queste fonti di rumore indesiderate sono note come interferenze elettromagnetiche (EMI). L'obiettivo dell'EMC è il corretto funzionamento di diverse apparecchiature in un ambiente elettromagnetico comune.

Piano di massa
Un piano di massa è efficace quando viene utilizzato con un circuito analogico o digitale e un insieme di componenti. I collegamenti a terra vengono effettuati in base alle necessità piuttosto che in modo uniforme su tutto il layout.

Un piano di massa non si crea semplicemente riempiendo tutto lo spazio vuoto con del rame e collegandolo a terra. La sua funzione è quella di consentire il flusso della corrente di ritorno, e il layout ideale dovrebbe avere interruzioni minime. Pertanto, si utilizzano schede multistrato. Un intero strato uniforme può essere dedicato alla terra, uno all'alimentazione e un altro alla segnalazione. Ciò aumenta la distribuzione della capacità interstrato. Inoltre, presenta il vantaggio aggiuntivo di una bassa impedenza tra l'alimentazione e la terra alle alte frequenze.

I singoli fori non fanno alcuna differenza per il piano di massa, a differenza degli alloggiamenti di grandi dimensioni. Quando il piano di massa è interrotto da altre tracce o fori, il normale flusso di corrente a bassa induttanza viene deviato intorno all'ostacolo e l'induttanza viene effettivamente aumentata.

Le interruzioni devono essere tollerate solo se non tagliano le linee di flusso ad alto di/dt. Le tracce al di sotto dei componenti che trasportano correnti di commutazione elevate o edge logici veloci causano una capacità indotta. Anche una traccia molto stretta che collega due segmenti del piano di massa è meglio di niente. Alle alte frequenze, e questo include le transizioni dell'edge di logica digitale, la corrente tende a seguire il percorso che racchiude il minor flusso magnetico. Ciò significa che la corrente di ritorno del piano di massa preferirà concentrarsi sotto la corrispondente traccia di segnale.

Alcuni produttori di schede sconsigliano di lasciare grandi aree di rame perché potrebbero causare la deformazione della scheda o la screpolatura del solder resist. Se questo potrebbe essere un problema, è possibile sostituire il piano di massa solido con uno schema a linee incrociate senza comprometterne l'efficacia. Per effettuare una connessione saldata al piano di massa, o a qualsiasi altra area di rame di grandi dimensioni sulla superficie della scheda, è necessario "staccare" il pad di saldatura dall'area di massa ed eseguire il collegamento utilizzando brevi tratti di traccia. In questo modo si evita che il piano di massa funga da rubinetto del calore durante la saldatura per ottenere giunzioni robuste.

Interferenze elettromagnetiche

(EMI) irradiate - EMI
Che cos'è il test delle emissioni irradiate (o EMI)? Il test delle emissioni irradiate prevede la misurazione della potenza del campo elettromagnetico delle emissioni generate involontariamente dal prodotto. Le emissioni sono intrinseche alle tensioni e alle correnti di commutazione di qualsiasi circuito digitale. In questo modo è possibile conoscere il livello delle emissioni e stabilire se queste influiscono sulle prestazioni del sistema o dei sistemi circostanti.

Modalità tipiche di guasto irradiato
Esiste un numero praticamente illimitato di progetti o di modi elettromeccanici per provocare emissioni irradiate. Di seguito è riportato un breve elenco di alcuni problemi tipici della progettazione EMI:

Condotte - EMI
Ogni dispositivo elettronico crea energia elettromagnetica e una certa parte di questa viene condotta sull'alimentatore e potenzialmente accoppiata all'alimentazione esterna.

I laboratori di prova misurano queste emissioni al fine di limitare la quantità di interferenze che il dispositivo può trasmettere all'alimentatore. In genere, sono interessati alle emissioni nell'ampiezza di banda compresa tra 150 kHz e 30 MHz. Controllano la presenza di radiazioni e verificano che siano conformi ai limiti specificati.

Le procedure e i livelli di test EMI sono disciplinati dal CISPR: comitato speciale internazionale sulle interferenze radio. Per maggiori informazioni, visitare il sito web della Commissione elettrotecnica internazionale.

Test delle emissioni
In conformità alla norma ANSI C63.4, le LISN sono appoggiati a terra, mentre il prodotto è appoggiato su un tavolo (o rimane in piedi sul pavimento se l'apparecchiatura è di grandi dimensioni). La porta RF di una LISN si collega direttamente a un analizzatore di spettro (o tramite un limitatore di transitori per evitare danni da picchi di tensione).

Applicabilità delle emissioni condotte
I test sulle emissioni indotte vengono in genere eseguiti su dispositivi che si collegano a un'alimentazione CA. Questo indipendentemente dal fatto che si utilizzi un adattatore di alimentazione CA-CC pre-certificato. Per alcuni standard, sono previsti anche limiti per i dispositivi che funzionano con un'alimentazione CC.

Raccomandazioni sulle emissioni convogliate
Senza entrare nei dettagli della progettazione dei circuiti per la conformità alle emissioni condotte, vi sono alcuni semplici modi per ridurre al minimo il rischio di non superare i test sulle emissioni condotte:

• •  Procurarsi sempre un alimentatore classificato per i limiti da approvare.
• •  Se il dispositivo è di "classe B", assicurarsi di procurarsi un adattatore di classe B. È improbabile che un adattatore approvato solo per i limiti della classe A risulti idoneo per il sistema. Un adattatore di classe B non garantisce l'approvazione per le emissioni condotte in classe B, ma è sicuramente utile.
• •  In modo analogo, per i limiti più rigidi in ambito militare, medico, automobilistico o aerospaziale, occorre sempre rivolgersi a un fornitore le cui specifiche dichiarino la conformità al limite in questione.
• •  Portate in laboratorio almeno 3 alimentatori diversi.
• •  Se il dispositivo utilizza un adattatore di alimentazione CA-CC esterno, portare degli equivalenti di altri produttori per ogni evenienza. In caso di mancata approvazione, è possibile sostituirlo per provare a ottenere l'autorizzazione con gli altri materiali.
• •  Controllare che i binari di alimentazione non presentino ondulazioni.
• •  Se gli alimentatori sono puliti, è probabile che PDN e disaccoppiamento siano in buone condizioni. Se si notano ondulazioni o picchi eccessivi negli alimentatori di commutazione, è possibile che sia presente rumore sul lato CA dell'alimentatore.
• •  Se sussiste un motivo fondamentale per dividere il piano di massa, ad esempio per separare le masse analogiche da quelle digitali per evitare l'accoppiamento dei disturbi, prestare attenzione perché i piani di massa divisi possono agire come antenne a fessura e irradiare. In questi casi, collegare i piani di massa divisi solo in un unico punto. Più collegamenti a terra in comune ci sono, più loop si creano e più EMI si irradiano nel progetto.
• •  Molti progetti prevedono condensatori di bypass e disaccoppiamento; è possibile ridurre il percorso della corrente di ritorno collegandoli a terra. In questo modo si riduce la dimensione del loop di terra e quindi la radiazione. Assicurarsi solo di non collegare un condensatore di bypass tra un piano di alimentazione e un piano di massa non correlato, che potrebbe causare un accoppiamento capacitivo.

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