Il rumore rappresenta un’insidia costante per ogni dispositivo elettronico: anche se non può essere eliminato completamente, esistono delle tecniche che, se adottate, sono in grado di ridurlo al minimo. In generale, possiamo affermare che il rumore non rappresenta un problema fintanto che esso non interferisce con le prestazioni del sistema. Se non contrastato opportunamente, il rumore può avere effetti nocivi sul funzionamento di molti circuiti stampati. Ciò è particolarmente vero per i circuiti che operano alle alte frequenze, cioè sopra un megahertz. A queste frequenze, attorno alle tracce del PCB e negli stessi componenti si creano delle onde elettromagnetiche, che possono interferire con i segnali che percorrono altre tracce dello stesso PCB. L’effetto prodotto da queste interferenze sui valori di corrente e tensione porta a un degrado delle prestazioni del circuito e pone seri problemi di integrità del segnale.
Possibili sorgenti di rumore in un PCB
In un PCB, il rumore viene tipicamente prodotto da picchi di corrente che si verificano su alcuni segnali elettrici. Nei circuiti digitali, i picchi di corrente sono creati durante le commutazioni dei transistor (transizioni on-off e off-on), mentre nei circuiti analogici sono determinati dalle variazioni della corrente di carico. Frequentemente, un rumore eccessivo può essere anche dovuto a una massa flottante o a un collegamento verso massa non corretto. Se la frequenza massima dei segnali sul PCB è inferiore a 1 MHz, è in genere sufficiente un punto singolo, mentre per i circuiti ad elevata frequenza è preferibile un collegamento di massa multipunto, o a stella, come visibile in Figura 1. Esiste poi anche la configurazione ibrida, che utilizza sia un punto singolo per la bassa frequenza che un multipunto per le alte frequenze.
Collegamento di massa multipunto.
Le principali sorgenti di rumore possono essere così classificate:
- rimbalzo di terra (ground bounce): nei circuiti digitali, la rapida e incessante ascesa delle frequenze di commutazione fa sì che i segnali elettrici hanno a disposizione sempre meno tempo per riportarsi al livello di riferimento di massa. Ciò può causare un "rimbalzo" del segnale al di sopra del livello di massa, con generazione di picchi di corrente inattesi e conseguente rumore nel segnale di uscita. Nel caso di più commutazioni contemporanee, l’entità del rumore può anche produrre delle false o doppie commutazioni, con conseguente malfunzionamento del circuito;
- diafonia (crosstalk): se le tracce del PCB non sono sufficientemente distanziate tra loro, può avvenire che un segnale (ad alta frequenza o elevata corrente) influenzi il comportamento di un segnale che percorre una traccia adiacente. Questo fenomeno di indesiderato accoppiamento elettromagnetico prende il nome di diafonia e può verificarsi sia quando le tracce sono troppo vicine tra loro orizzontalmente sullo stesso layer, sia verticalmente su layer adiacenti;
- EMI (Electro Magnetic Interference): le interferenze elettromagnetiche possono essere prodotte da numerose fonti, anche se il caso più comune riguarda i percorsi di ritorno a terra non correttamente progettati. La regola generale per evitare questi fenomeni è quella di inserire le tracce dei segnali tra i piani di alimentazione e di massa, consentendo un percorso di ritorno regolare verso il piano di massa. Quando ciò non avviene, il segnale di ritorno seguirà percorsi irregolari cercando di trovare la via verso massa, generando interferenze e rumore.
Dopo aver passato in rassegna le principali sorgenti di rumore su un circuito stampato, possiamo analizzare le cinque tecniche maggiormente efficaci per contrastare questo problema.
1 – Inserire piani di massa e di alimentazione
Durante la definizione del layout del PCB, occorre cercare di coprire la maggior parte possibile dell'area della scheda con piani di massa e di alimentazione, riservando possibilmente un layer per il piano di massa e uno per quello di alimentazione. I piani di massa devono essere progettati in modo tale che vi sia un percorso di ritorno verso massa ben definito, soprattutto per i segnali ad alta frequenza, evitando interruzioni o un uso eccessivo dei fori.
Nel caso in cui non sia possibile, per ragioni di spazio oppure di budget, realizzare interi piani di massa, utilizzare comunque una messa a terra a punto singolo (basse frequenze), oppure a stella (alte frequenze), collegando tutte le tracce di massa al punto di massa comune. Questo metodo riduce l'accoppiamento per impedenza comune tra i vari sottosistemi. Le tracce che portano i segnali di alimentazione dovrebbero essere parallele alle tracce di terra, ove possibile.
2 – Ottimizzare la dimensione delle tracce
Le tracce dei segnali che attraversano il PCB dovrebbero essere più corte e sottili possibile. Se necessario, inserire dei fori di via per mantenere corte le tracce. Le tracce con spessore inferiore a 8 millimetri e larghezza compresa tra 4 e 8 mil sono generalmente considerate una buona soluzione per ridurre l'accoppiamento capacitivo e quindi il rumore, soprattutto alle alte frequenze. La distanza tra tracce adiacenti dovrebbe inoltre essere sempre maggiore della loro larghezza, riducendo così il rischio di diafonia. I PCB multistrato sono in genere preferibili, in quanto consentono di realizzare layer distinti per massa, alimentazione e segnali.
L'induttanza di un conduttore è inversamente proporzionale al logaritmo del diametro e direttamente proporzionale alla sua lunghezza. Ne consegue che per ridurre l'induttanza è necessario utilizzare tracce più corte e larghe possibile. Le linee di alimentazione e tutti i segnali in ingresso al PCB dovrebbero essere filtrati, attraverso filtri a stadio singolo oppure multistadio, in modo tale da attenuare il rumore.
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3 – Separare le varie zone del PCB
Di fondamentale importanza è il layout dello stackup del PCB, in quanto ciò influisce sia sull’integrità del segnale, sia sulla riduzione del rumore. Le tracce collocate sui layer di segnale dovrebbero utilizzare la configurazione microstrip o stripline, a seconda della posizione occupata dal layer nello stackup. La modalità con cui questi layer sono disposti determina sia l’entità delle radiazioni elettromagnetiche generate dalla scheda, sia il grado di immunità verso le radiazioni provenienti da fonti esterne.
Sul PCB, tenere separati i circuiti analogici da quelli digitali. Questi ultimi sono responsabili della generazione di rumore digitale ad alta frequenza che può indurre errori sia sui circuiti digitali, sia su quelli analogici se questi circuiti non sono sufficientemente separati tra loro. Un criterio analogo può essere applicato alla frequenza, mantenendo separati i circuiti ad alta frequenza da quelli a bassa frequenza. Un esempio di separazione in zone è visibile in Figura 2.
Separazione in zone del PCB.
4 – Utilizzare condensatori di disaccoppiamento
Anche il modo in cui i componenti vengono posizionati sul PCB gioca un ruolo fondamentale nella riduzione del rumore. I componenti di potenza dovrebbero essere posizionati vicini tra loro e sullo stesso layer, in modo tale da ridurre l'induttanza che si può creare tra le tracce i fori di via. I componenti ad elevata frequenza dovrebbero essere posizionati in modo tale da avere tracce più corte possibile. I condensatori di disaccoppiamento (o bypass) dovrebbero essere posizionati il più vicino possibile a ciascun pin di alimentazione dei componenti attivi, riducendo così i picchi di corrente durante la commutazione del segnale ed evitando il rimbalzo verso massa. Anche se più costosi, i condensatori al tantalio con elevato valore di capacità offrono qualità e prestazioni superiori rispetto ai condensatori elettrolitici tradizionali. Per disaccoppiare tra loro i circuiti integrati, si possono invece utilizzare dei condensatori ceramici multistrato, con valori di capacità scelti in base alla frequenza del segnale (ad esempio, 0,1 µF per frequenze fino a 15 MHz e 0,01 µF per frequenze superiori.
5 – Routing delle trace
Abbiamo detto in precedenza che, in generale, più corte e larghe sono le tracce sul PCB, migliore è l’azione di riduzione o contenimento del rumore, in quanto si riduce l’induttanza delle tracce stesse. Ciò vale, in particolare, per le tracce percorse da correnti o frequenze elevate. Qualora nello stackup del PCB vi siano due layer segnale adiacenti, occorre fare in modo che il routing sia orizzontale su un layer e verticale sull'altro. Ciò riduce il rischio di accoppiamento (diafonia) tra le tracce poste sui due strati.
Le tracce che portano segnali sensibili dovrebbero essere mantenute lontane dai circuiti oscillatori; ciò vale sia quando la traccia è posta sullo stesso layer dell’oscillatore, sia quando è collocata su un layer adiacente. Come regola generale, evitare di utilizzare curve di 90° sulle tracce, sostituendo gli angoli retti con due curve a 45°.
