DAQ (parte 11) – Design di PCB

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La progettazione di un PCB è una fase molto importante per realizzare prototipi elettronici efficienti; rappresenta uno degli ultimi step di design ma è quello più critico da cui dipendono le prestazioni operative. Nelle applicazioni di acquisizione dati gioca un ruolo fondamentale, può assumere diverse configurazioni in relazione al tipo di microprocessori/microcontrollori, componenti analogici e digitali e sistema operativo.

In questo articolo e nel prossimo, conclusivo di questa sezione, analizzeremo gli aspetti principali per una corretta progettazione PCB, con particolare attenzione ai sistemi di acquisizione dati.

Fig. 1 – Partizionamento di un PCB per sistemi di acquisizione dati

Le schede a circuito stampato (PCB) sono di gran lunga il metodo più comune di assemblaggio di componenti elettronici moderni. Composto da un sandwich di uno o più strati isolanti e uno o più strati di rame contenenti le tracce di segnale.

La maggior parte dei moderni sistemi è costituita da pannelli multistrato fino a otto livelli (o a volte anche di più).

Tipici problemi che si riscontrano riguardano le tracce (o piste) di interconnessione dei componenti, effetti parassiti, sistemi di messa a terra e disaccoppiamento. Tutti questi elementi sono importanti per definire le prestazioni complessive del progetto finale.

Gli effetti indesiderati sul PCB sono dannosi per le prestazioni del sistema: comprendono resistenze di dispersione, impulsi di tensione, vias, piani di massa, l’influenza delle capacità parassite e il dielettrico costituente il PCB.

Inoltre, la tendenza del materiale relativo al PCB di assorbire l’umidità atmosferica, causano spesso effetti parassiti che variano di giorno in giorno.

In generale, gli effetti sul PCB possono essere suddivisi in due grandi categorie: quelle che colpiscono il funzionamento statico o in CC del circuito, e quelli che colpiscono il funzionamento dinamico o circuito AC, soprattutto alle alte frequenze.

Partizionamento

Ogni sottosistema o circuito di layout funzionanti ad alta frequenza e/o ad alta precisione con segnali sia analogici sia digitali (i.e. sistemi di acquisizione dati), hanno bisogno il più possibile di una separazione fisica, per evitare problemi di diafonia o crosstalk. Il crosstalk può essere minimizzato facendo attenzione al layout del sistema per prevenire l’interferenza tra diversi segnali. Segnali analogici di alto livello devono essere separati da segnali analogici a basso livello, ed entrambi devono essere tenuti lontani dai segnali digitali. Nei sistemi di campionamento della forma d’onda, il rumore sul clock di campionamento si manifesta come jitter di fase, che si traduce direttamente in una riduzione del SNR del segnale campionato. La figura 1 mostra un buon layout per una scheda di acquisizione dati in cui tutte le aree sensibili siano isolate le une dalle altre.

Materiali

La scelta di un materiale per PCB viene fatta in accordo con alcune caratteristiche, più o meno importanti, in base alla particolare applicazione

Coefficiente di espansione termica (CTE) – La maggior parte dei materiali si espande quando la loro temperatura aumenta e si contrae quando si raffreddano. CTE è un modo di esprimere la quantità di variazione di volume di un materiale durante un cambiamento di temperatura, espressa in parti per milione per grado centigrado. Un modo di classificare i materiali è confrontare il loro CTE: la resina epossidica ha una CTE di 35-45, che è superiore al rame (17-18).

Tg – Temperatura di transizione vetrosa – È il valore di temperatura al di sotto della quale un materiale amorfo si comporta da solido vetroso. La transizione vetrosa, ovvero la transizione cinetica, segna un confine ben preciso tra amorfo gommoso e vetroso.

Td – Temperatura di decomposizione – È la temperatura alla quale un materiale comincia a degradare; più comunemente è indicata come la temperatura alla quale un materiale ha perso il 5% del suo peso iniziale a causa della decomposizione. In passato, la temperatura di transizione vetrosa (Tg) è stata usata per classificare materiali dalle loro proprietà termiche; alle temperature più elevate come richiesto per saldatura senza piombo (per soddisfare i requisiti RoHS) ha anche dimostrato di essere un utile indicatore della stabilità del materiale.

T266, T288 e T300 – Sono valori che rappresentano il periodo di tempo in cui un laminato rivestito sopravviverà a una particolare temperatura (rispettivamente 260 °C, 288 °C e 300 °C). Questi valori sono considerati buoni indicatori della resistenza a breve termine del materiale per processi di saldatura.

Costante dielettrica (Er) – La costante dielettrica determina la velocità alla quale un segnale elettrico viene trasportato in un materiale. È espressa rispetto alla velocità della luce nel vuoto, che è definita come avente una costante dielettrica pari a 1,00. Elevati costanti dielettriche si traducono in un rallentamento della velocità di propagazione del segnale.

Fig. 2 – FR-4

I materiali sono disponibili in vari gradi, come definito dalla National Electrical Manufacturers Association (NEMA). NEMA è un’organizzazione di sicurezza elettrica e descrive principalmente l’infiammabilità, la stabilità ad alta temperatura e l’assorbimento di umidità dei materiali. Materiali laminati sono indicati con FR (resistenti al fuoco) e G. Per esempio, FR-1 è il meno resistente alla fiamma e FR-5 è il più resistente. FR-4 è un materiale composito costituito da tessuto di vetro con una resina legante epossidica, resistente alla fiamma. FR-4 (Fig. 2) in vetro resina epossidica è un popolare e versatile materiale per applicazioni PCB di base, più comunemente usato come isolante elettrico che possiede una notevole resistenza meccanica.

Il materiale è noto per i suoi valori meccanici e per la buona qualità di isolante elettrico in entrambe le condizioni di asciutto e umido. Questi attributi, insieme a buone caratteristiche di fabbricazione, rappresentano un vantaggio per un’ampia varietà di applicazioni elettriche e meccaniche.

Crosstalk in PCB ad alta velocità

L’integrità del segnale è una misura della qualità di un segnale elettrico. In elettronica digitale, un flusso di valori binari è rappresentato da una forma d’onda di tensione o corrente. Su brevi distanze e a bit rate bassi, un semplice conduttore può trasmetterlo con sufficiente fedeltà. Tuttavia, a tassi elevati di bit e su lunghe distanze, vari effetti possono degradare il segnale elettrico introducendo errori. L’ingegneria dell’integrità del segnale ha il compito di analizzare e mitigare questi danni, è un’attività importante a tutti i livelli dalle connessioni interne di un circuito integrato (IC) attraverso il package, alla scheda di circuito stampato (PCB), il backplane e le varie connessioni tra i sistemi. Il crosstalk è un rumore non voluto che si manifesta principalmente tra le piste di rame e i componenti soggetti a disturbi elettromagnetici. Questo effetto indesiderato è associato con il clock, segnali periodici, reti di sistemi critici, linee di controllo e I/O. Il crosstalk coinvolge sia l’accoppiamento capacitivo sia quello induttivo. L’accoppiamento capacitivo è una funzione diretta della distanza tra le tracce, mentre l’accoppiamento induttivo coinvolge le tracce che si trovano fisicamente in stretta vicinanza l’una all’altra.

Un aumento di capacità e induttanza, ovvero di impedenza, comporta un aumento dei tempi di transizione del segnale, aggravando così il crosstalk. Le tecniche di progettazione e layout al fine di ridurre il cross talk e quindi gli effetti parassiti, possono essere elencati come indicato di seguito:

1. Durante il posizionamento dei componenti, ridurre al minimo la distanza fisica tra di essi.

2. Ridurre al minimo la lunghezza parallela delle piste o tracce.

3. Posizionare gruppi di famiglie logiche in base alle loro funzionalità.

4. Individuare i componenti I/O e interconnessioni varie suscettibili di corruzione dati e di accoppiamento.

5 Evitare l’instradamento di tracce parallele tra loro.

6. Ridurre l’impedenza di traccia.

7. Partizionare o isolare su diversi livelli, emettitori ad alta rumorosità.

Maurizio Di Paolo Emilio

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