Cea mai importanta cale de optimizare a electronicii analogice este imbunatatirea

rezistentei la perturbatii. Acest aspect este inclus in problematica mai larga a

compatibilitatii electromagnetice. La rindul sau, compatibilitatea electromagnetica poate

fi asociata problematicii declaratiei de conformitate CE necesara oricarui produs

electronic lansat pe piata in Comunitatea Europeana.

Declaratia de conformitate a unui produs este un document prin care fabricantul

precizeaza ca acel produs respecta o serie de standarde vizind siguranta in functionare,

emisiile de semnale electromagnetice si influenta functionarii produsului de catre

semnale electromagnetice perturbatoare, precum si norme legate de protectia mediului.

Declaratia de conformitate este pe proprie raspundere si nu presupune neaparat

certificarea respectarii normelor respective de catre un laborator autorizat, producatorul

putind emite acest document si fara testarea acestor norme, cu riscul suportarii

consecintelor in cazul producerii de accidente.

Elementul central al declaratiei de conformitate il reprezinta normele legate de

compatibilitatea electromagnetica. In continuare vor fi analizate aspectele acestei

probleme.

Miniaturizarea accentuata impusa de includerea a tot mai multor functiuni in

siliciu si de presiunea pietei pentru produse tot mai ieftine obliga fabricantii de

componente electronice sa-si reduca in permanenta costurile de fabricatie. Reducerea

geometriei tranzistorilor integrati si a portilor acestora permite acest proces si, de

asemenea, functionarea componentelor active la frecvente tot mai mari.

Reducerea dimensiunii portii tranzistorului are ca efect si reducerea timpilor de tranzitie

si, conform analizei Fourier, fronturile rapide produc armonice mai puternice. Aceste

semnale parazite, daca sint amplificate, pot cauza probleme de radiatii emise. Similar,

daca dispozitivele au timpi de tranzitie mai scazuti, pot reactiona mai usor la semnalele

rapide perturbatoare, ceea ce poate conduce la comutari parazite datorita unori virfuri de

zgomot si, deci, semnale false. Intrucit vitezele uzuale de lucru sint in gama

2MHz...40MHz iar elementele active integrate au timpi de comutare de ordinul

nanosecundelor, pot apare probleme de compatibilitate electromagnetica.

Intrucit miniaturizarea impune plasarea in apropiere a mai multor circuite electronice,

este esential ca proiectarea lor sa prevada imunizarea la surse externe de zgomot si, de

asemenea, aceste circuite nu trebuie sa genereze radiatii electromagnetice.

O problema de compatibilitate electromagnetica se poate prezenta sub doua forme:

emisie sau susceptibilitate. Ambele probleme pot fi de natura conductiva sau radiativa.

De exemplu un calculator poate emite radiatii radio puternice ce vor influenta puternic

functionarea monitorului atasat; monitorul poate fi considerat o victima a calculatorului

datorita proiectarii defectuoase a acestuia. Este posibil si ca monitorul sa fie proiectat

defectuos in sensul ca nu este apt sa lucreze in medii zgomotoase electromagnetic.

Descoperirea problemelor de compatibilitate electromagnetica ale unui produs cind

acesta se afla deja la stadiul productiei de serie poate fi o experienta foarte costisitoare si

poate conduce la completa reproiectare a cablajului imprimat, cu costuri semnificative in

timp si efort (remodificarea programelor pentru automatele pick and place, refacerea

patului de ace pentru testerul in circuit etc.). In orice caz, descoperirea problemei trebuie

sa fie urmata de stabilirea cauzei – emisii sau susceptibilitate, respectiv daca circuitul

grenereaza zgomot ce perturba celelalte circuite sau zgomotul extern perturba circuitul.

Schimbarile efectuate pentru eliminarea problemei de susceptibilitate au in general efecte

pozitive si asupra problemelor de radiatie si invers (stricarea parametrilor unei antene de

receptie va determina si inrautatirea parametrilor aceleiasi antene cind este utilizata la

emisie de perturbatii).

Emisiile de la orice sursa digitala sint in mod normal armonice ale frecventei de ceas din

sistem, aceasta avind forma dreptunghiulara, cu continut bogat de armonici. Aceste emisii

sint in general radiate si crate de curenti comutind intre sursa si calea de intoarcere a

semnalelor digitale si pe calea de alimentare. Acesti curenti circula prin bucle ce

actioneaza ca mici antene, care radiaza cimpurimagnetice cunoscute ca radiatie de mod

diferential. De asemenea, orice cai inductive sau rezistive pot cauza caderi de tensiune in

circuit, caderi care pot pune anumite parti ale circuitului la un potential de mod comun

relativ la masa.

In cazul problemelor de emisie in aplicatii embedded single-chip, proiectarea defectuoasa

a structurii de interconectare este probabil un factor major, intrucit ariile buclelor in

siliciu sint cu citeva ordine de marime mai mici decit cele create pe cablaj. Emisiile este

foarte probabil sa fie cauzate de alimentare, pentru ca suma tuturor curentilor prin circuit

se scurge prin aceste cai. Pinii porturilor sint proiectati pentru capabilitati mai mari in

curent decit portile interne, astfel ca sint de dimensiuni mai mari, astfel ca au si capacitati

mai mari si deci tranzitiile semnalelor vor fi mai lente decit in cazul portilor interne. De

asemenea, pinii porturilor sint controlati prin software astfel ca ei comuta la frecvente

incomparabil mai mici decit frecventa ceasului si astfel ei nu pun probleme deosebite la

emisii. Exceptii apar la sarcinile de curenti mari, pentru ca intensitatea cimpului magnetic

e proportionala cu aria buclei si curentul comutat. Solutia este de a reduce fie aria buclei

fie curentul; uzual se reduce aria buclei.

Cea mai ridicata frecventa fundamentala din circuit este cea a circuitului oscilator. Acesta

ar trebui sa genereze in principiu un semnal sinusoidal; din acest motiv armonicele

superioare ar trebui sa fie puternic atenuate si, in consecinta, sa nu perturbe alte circuite.

In cazul in care insa ceasul provine de la o sursa externa, calea acestui semnal trebuie

tinuta cit mai aproape posibil de calea/planul de masa de intoarcere pentru a reduce la

minim aria buclei.

Pentru procesoarele cu memorie externa emisiile pot fi o problema serioasa. Sursa

principala de zgomot este aici semnalul de clock sau de strobe de activare a memoriei, in

cazul in care traseul sau a fost rutat necorespunzator si are o cale de intoarcere foarte

lunga. Liniile inferioare de adrese, care comuta mult mai des, si liniile magistralei de

date, pot pune de asemenea probleme.

4.1.1 Susceptibilitatea

Majoritatea electronicii digitale actuale se bazeaza pe bistabili pentru a genera functii

complexe. Orice circuit are un prag de zgomot care depasit cauzeaza functionarea

defectuoasa, clasificata in 4 categorii:

- eroare momentana, corectata ulterior

- eroare, corectata printr-o intrerupere sau reset

- eroare, corectata prin oprirea si apoi pornirea alimentarii

- eroare, fenome de latch-up, dispozitivul este defectat permanent

Erorile din ultimele doua categorii sint remarcate de utilizator si vazute ca probleme de

imunitate; ele sint inacceptabile pentru producator. Ultima eroare este cea mai grava, iar

aparitia ei pe teren conduce la probleme majore si de aceea se recomanda testarea EMC a

prototipurilor pentru depistarea din timp a unor astfel de probleme.

Rezolvarea problemelor EMC se poate face acordind atentie deosebita proiectarii

structurii de interconectare. Zonele critice sint:

- caile de alimentare

- circuitul oscilator

- terminatiile pinilor de intrare

Sursa de alimentare

Orice zgomot indus in circuitul de alimentare poate cauza probleme in functionare.

Aparitia semnalelor tranzitorii pe VDD sau VSS poate schimba starea circuitelor logice

sau secventiale interne rezultind functionare defectuoasa. In mod similar, curenti de

comutare mari provoaca emisii semnificative.Ca regula generala, toate frecventele inalte

nedorite trebuie atenuate prin asigurarea unor cai de impedanta scazuta spre masa.

Intrucit toate semnalele au curenti care curg prin VSS si VDD trebuie ca liniile de semnal

sa fie tinute cit mai aproape posibil de VDD si VSS pentru a minimiza aria buclelor de

curent.

Utilizarea cablajelor multistrat cu plane de masa si alimentare conduce intotdeauna la

rezultate bune, intrucit se reduc ariile tuturor buclelor de curent la minim si se reduce

inductanta mutuala intre liniile de semnal. Din pacate, in aplicatiile low-cost se poate

utiliza numai cablajul mono sau dublu strat, astfel ca trebuie acordata atentie

suplimentara altor elemente de proiectare PCB. Asigurarea ca traseele VCC si VDD sint

cit mai groase posibil si ca decuplarea se face cit mai aproape posibil de cip va reduce

susceptibilitatea. Traseele subtiri au impedanta ridicata si la fecvente inalte apar diferente

de potential de-a lungul lor.

Metoda uzuala de obtinere a tensiunii continue din tensiunea retelei este prin

transformator coboritor, redresor, circuit de filtrare si netezire si circuit stabilizator de

tensiune. In acest caz, orice ecran metalic este conectat la masa.

Figura 4.1

Semnalele de inalta frecventa vor “vedea” VDD si VSS la acelasi potential datorita

capacitatii de decuplare. In figura de mai sus, calea de impedanta scazuta catre pamint

pentru curentii de comutare este in general calea VSS.

Conexiuni de calitate slaba intre ecrane duc la mase de impedante mari si astfel la

tensiuni diferentiale mari.

La acest circuit se recomanda decuplarea tuturor liniilor de inalta frecventa la VSS pentru

evitarea diafoniei si a emisiilor.

In anumite aplicatii low-cost se elimina transformatorul si puntea redresoare, preferindu-

se schema de mai jos. Anodul diodei Zener este masa flotanta.

Figura 4.2

In acest caz calea de joasa impedanta catre pamint este linia VDD via retea. Aici

decuplarea semnalelor de inalta frecventa la VSS poate sa nu ajute la performante EMC.

Mai degraba aici ajuta decuplarea la VDD.

O greseala comuna este decuplarea inadecvata a alimentarii. Condensatorul ceramic

standard de 100nF ajuta la rejectia zgomotului de joasa frecventa si actioneaza ca un

rezervor de sarcina pentru curentii de comutare specifici tehnologiei CMOS, dar daca

sistemul prezinta probleme de imunitate la frecvente de 40MHz si peste (ca in cazul

descarcarilor electrostatice ESD si a perturbatiilor tranzitorii pe liniile de alimentare)

atunci acest condensator nu are nici un efect pentru ca prezinta o anumita inductanta ce

determina o frecventa de rezonanta la circa 7MHz. Un condensator de 1-10nF poate

influenta dramatic performantele EMC in acest caz. Pentru placile de cablaj imprimat

monostrat alegerea condensatorului de decuplare este decisiva.

Circuitul oscilator contine un inversor conectat la rezonatorul cu cristal sau ceramic. Mai

apar in circuit si rezistorul de reactie negativa si condensatoare de decuplare pentru

reducerea armonicelor dispozitivului piezo.

Figura 4.3

Orice zgomot indus circuitului oscilator poate cauza erori in functionarea procesorului.

Figura urmatoare ilustreaza motivul acestei afirmatii. Divizorul intern asigura un factor

de umplere de 50% al semnalului intern de ceas. Figura B prezinta efectul citorva virfuri

de zgomot, care au ca efect modificarea factorului de umplere a ceasului procesorului;

acest efect poate cauza erori in adresele utilizate de numaratorul program sau in citirea

datelor de pe magistrala, ambele situatii producind consecinte cu efecte imprevizibile

pentru aplicatie. Un virf de zgomot singular poate fi neutralizat prin actiunea circuitului

watchdog care executa resetarea procesorului si plasarea intr-o stare bine definita.

Figura 4.4

Circuitul oscilator trebuie proiectat cu cea mai mare atentie, respectind urmatoarele

masuri:

1. Cristalul si celelalte componente ale oscilatorului trebuie plasate cit mai aproape

de pinii OSC1, OSC2. Traseele lungi din vecinatate prin care circula semnale de

inalta frecventa actioneaza ca niste antene si pot cauza probleme.

2. Daca este posibil trebuie inconjurat circuitul oscilator cu un traseu VSS inelar de

garda.

3. Decuplarea circuitului cristalului la calea de cea mai joasa impedanta spre pamint,

uzual VSS

4. Indepartarea de oscilator a oricaror semnale de inalta frecventa

In figura alaturata se prezinta o structura de interconectare tipica pentru un circuit

oscilator

Figura 4.5

Pinii de intrare ai procesorului pot cauza probleme, in special semnalele RESET si IRQ

din motive evidente. Decuplarea acestor pini la calea de intoarcere de joasa impedanta,

plasata cit mai aproape posibil de ei, va atenua zgomotul de inalta frecventa si va creste

imunitatea sistemului; se recomanda valori de 1-10nF.

O solutie suplimentara este evitarea intreruperilor pe front si utilizarea celor pe nivel.

Acest lucru asigura ca zgomotul pe un pin de intrerupere nu va genera declansarea ei;

daca se folosesc totusi intreruperi pe front, atunci prima operatie efectuata in subrutina de

tratare ar trebui sa fie verificarea nivelului corect al starii pinului.

4.1.3 Testarea ESD

Testarea ESD se poate face simplu cu ajutorul unui pistol ESD. Acesta permite

verificarea rezistentei aplicatiei la tensiunile electrostatice aparute la atingerea cu mina.

Pistolul ESD are tensiune reglabila si poate fi utilizat cu doua tipuri de virfuri – pentru

descarcare in aer (virf sferic) sau descarcare de contact (virf conic).

La descarcarea de contact se atinge cu virful un anumit pin sau traseu care poate fi atins

in mod normal de utilizator. Descarcarea de contact e limitata la 8KV si poate fi facuta in

impulsuri simple sau multiple la o declansare. Utilizarea descarcarii de contact pe liniile

de alimentare descopera practic orice slabiciuni de proiectare a circuitului. Procesul

normal de lucru presupune atingerea traseului si, in timp ce aplicatia ruleaza, se

declanseaza virfuri de zgomot initial de valori reduse, sub 1kV, crescute succesiv, pina ce

aplicatia incepe sa functioneze eronat.

Descarcarile in aer se pot face pentru tensiuni intre 2 si 25 kV si se aplica doar

conexiunilor externe. Acest gen de testare se aplica de obicei cind aplicatia poate fi

subiect al descarcarilor electrostatice cauzate de persoane incarcate electrostatic care se

apropie de echipament.

Pentru verificarea calitatii sursei de alimentare se poate utiliza testarea cu un generator de

impulsuri burst tranzitorii. Acesta aplica la conectorul de alimentare de la retea trenuri de

impulsuri de pina la 4kV. Daca aplicatia pica acest test se recomanda reproiectarea sursei

de alimentare. Trecerea testului da o buna indicatie ca proiectul este bine realizat si sint

sanse mari sa treaca orice alt test de imunitate.

Solutii de reducere a problemelor de compatibilitate electromagnetica

Exista citeva solutii generale de imbunatatire a imunitatii si susceptibilitatii:

- utilizarea perlelor de ferita – au caracteristici excelente la inalta frecventa, peste

1MHz, dar trebuie evitata saturarea materialului magnetic de componenta

continua a semnalului

- tehnici de conectare la masa – circuitele de masa pot fi clasificate ca monopunct,

multipunct sau hibride. Circuitul monopunct e acceptabil la frecvente joase dar

poate avea probleme la frecvente inalte datorita impedantei ridicate; lungimea

traseului trebuie scurtata la maxim. O masa hibrida e similara celei monopunct la

frecvente joase si celei multipunct la frecvente inalte.

Figura 4.6

O aplicatie tipica dispune de mai multe circuite de masa. O masa monopunct este

plasata la sursa primara de energie, de obicei sursa de alimentare. Circuitele logice

despun de o masa multipunct, conectata monopunct in afara placii. Pentru prevenirea

radiatiei nu se accepta iesirea din placa a componentelor de inalta frecventa; de aceea,

liniile de alimentare ale placii trebuie sa transporte doar curentul continuu, situatie

care impune masa monopunct. O schema eficienta de masa este prezentata in figura

urmatoare:

Figura 4.7