5) ....Molte cose intelligenti sul disegno dei PCB, per quanto riguarda disaccoppiamento e disposizione dei percorsi di "massa" (la chiamo così per semplificare), si trovano su una Application Note di Analog Devices (An I.C. Amplifier User's guide to Decoupling, Grounding, and Making Things Go Right for a Change) che tu sicuramente conosci, ma che può essere utile a qualche neofita....
Ecco, a proposito di cose intelligenti:
Qualcuno degli esperti di PCB layout (diciamo cosi....
), è in grado di spiegare con parole semplici perchè le cose corrette espresse in quel genere di documenti viene pienamente, completamente ed inesorabilmente disatteso da quasi tutti gli esempi di layout portati dai miei insigni colleghi ?
Dati 10 punto di massa virtuale da rispettare entro pochi uV di modulazione differenziale (ossia che tutti e 10 i punto devono tassativamente avere lo stesso potenziale in AC, ivi compreso rumore termico ecc....), come potrebbe essere il caso del pre di Giaime, come li cabliamo ?
Con una massa unica che connette pure i bypass di alimentazione, tanto ha "una bassissima impedenza"
?
Con degli "anelli di massa" esterni con funzione non meglio definita ?
Per avere una risposta serve come sempre usare il cervello e non una analisi acritica basata sulle "valutazioni estetiche" che la media dei progettisti di PCB usa, (Le valutazione EMC sono un aspetto che va dal diverso al molto diverso rispetto al problema di Giaime, ma sulla differenza tra energia elettromagnetica, elettrostatica e semplici riferimenti di segnale , nonchè gli inevitabili concatenamenti di queste forze nei disturbi funzionali dovrò fare un corso per ingegneri elettronici a parte.....
)
Faccio un' esempio di "uso del cervello":
A. Identifico un punto di massa virtuale nel circuito. Dato che non esiste una massa ideale, quale sarà il mio punto di massa virtuale ?
Semplice, non il nodo che "sta fermo" in senso assoluto, ma quello che io decido "di seguire in modo il più possibile fedele". Questo genere di nodo, per questioni pratiche in un circuito audio può essere locato in 3punti di massima:
1. Alimentatore dello stadio
2. ingresso segnale
3. uscita segnale
In pratica decido di spalmare tutti i miei riferimenti su uno di questi punti, e solo su uno. In questo modo abbiamo definito il centro stella di una ipotetica distribuzione di questo tipo.
Come devo scegliere tra i 3 punti possibili ? Dipende dalle energie in gioco e dalla topologia. Se si deve erogare forti correnti (ampli finali) di norma le modulazioni maggiori partono dal PSU e dalla uscita, per cui conviene cercare di agganciare tutti i riferimenti ad uno di questi 2 punti. Se si predilige il PSU si guadagno in CMRR (utile per esempio nei sistemi termoionici a basso CMRR) se si aggancia l' uscita di potenza (ovviamente parliamo di punti di massa, ma il discorso potrebbe valere per qualsiasi riferimento di tensione o di corrente usato nel circuito....) si ottimizza la stabilità di anello (in caso di NFB globale) e in ogni caso gli inevitabili NFB locali. Al progettista la scelta, la cosa importante è che sappia cosa vuole fare, e questa è già una conquista....
Ora abbiamo stabilito come si definisce un centro stella, ossia quello che per molti resta una chimera irraggiungibile.
Stabilita la strategia più adatta al tipo di circuito (esempio, PSU per ampli di potenza, Output per preampli ordinari, input per sistemi di acquisizione particolari o ad alto quadagno intrinseco, ma in questi casi si parla spesso di "ground virtuali locali e disaccoppiati", ma questo discorso diventa complesso.... ), si procede al cablaggio adeguato di questo nodo.
Restando per semplicità nel solo problema di cablare 10 nodi di riferimento verso massa del nostro circuito (quindi escludendo le reti di bypass alimentazione, che dovrebbero sempre compiere percorsi diversi rispetto ai nodi di segnale.....), quale è il modo migliore per garantirsi un punto di riferimento unico e comune ?
Molti non hanno dubbi: "il piano di massa". Peccato che io non abbia mai trovato uno specialista in grado di predire la dinamica di somma vettoriale delle singole correnti combinate in modo disordinato su un unico piano di massa.....
Quello che voglio dire è questo:
ogni punto di collegamento al nostro nodo di massa virtuale (centro stella) avrà, per forza di cose, una sua "corrente di fuga", sia in AC che in DC. Se inietto 10 punti, con 10 diverse correnti AC variegatamente composte su diversi punti di uno stesso piano di massa, queste correnti possono agevolmente combinarsi tra loro con dinamiche semplicemente imprevedibili, dipendenti dalla frequenza delle modulazioni, dalle caratteristiche dei materiali e dulcis in fundo dalla interpolazione tra le posizioni fisiche dei singoli nodi rispetto al punto di massa virtuale.
Se invece si sceglie di far seguire percorsi diversi ad ogni singolo punto di connessione, si impediscono le combinazioni multiple tra le singole correnti, si rende "prevedibile" ogni deltaV e deltaI parassita presente tra la massa di riferimento e il nodo da cablare. Insomma, si passa da una condizione di caos ad una di buona prevedibilità, e scusate se è poco....
Signori, questa è la ragione dei cablaggi a stella, benvenuti nel mondo delle "valutazioni ponderate".
Ovviamente i bypass di potenza del PSU devono seguire canoni simili, di certo stare lontani come la peste dai singoli percorsi dei nodi di segnale citati sopra.
Non esiste una alternativa migliore a questo approccio, esiste solo "la fortuna" di avere una modulazione molto inferiore alle impedenze del rame usato (nel caso dei piani di massa) che spesso viene spacciata per "soluzione efficace" dai nostri specialisti.
Diverso il caso di sezioni digitali o RF. In verità il concetto resta valido anche nelle linee di trasmissione, ma per questioni fisiche si deve usare un approccio basato su dinamiche tra gli spazi fisici (3D) anzichè come semplice rappresentazione a stella (2D).
In pratica, in caso di circuiti digitali, un piano di massa (e di Vcc) permette di mantenere una sorta di uniformità di risposta ai disturbi di modo comune e non causati dalle commutazioni ad alta frequenza, in parte con funzione di schermatura elettrostatica in parte con funzione di "equi-distribuzione" delle induttanze parassite presenti nelle piste di rame che a certe frequenze può rendere inefficaci gli stessi bypass di alimentazione ed amplificare gli spikes
a causa delle inevitabili risonanze per effetto induttivo....
In presenza di un tale marasma di disturbi, l' uniformità alla massa virtuale resta un eufemismo, e si sceglie una tecnica definibile "del male minore"....
ciao
Mauro
Mauro
http://www.webalice.it/mauro.penasa/index.html
