Il rumore e le interferenze nei circuiti elettronici

 

(Corso nazionale INFN)

 

 

Obiettivi

Il corso si propone di trattare i problemi di rumore intrinseco e per interferenza nei circuiti elettronici.

Sarà discusso il rumore intrinseco dei componenti e come esso determini il segnale minimo rivelabile nei preamplificatori e ricevitori.  Saranno illustrate le tecniche per la valutazione del contributo di ogni sorgente di rumore e i metodi per ottimizzare, con l’aiuto di programmi di simulazione, le figure di rumore in varie configurazioni di amplificazione.

Sarà discusso il rumore estrinseco (per interferenza) nei circuiti con segnali rapidi ad alto contenuto armonico, con basse tensioni di alimentazione e con alta densità delle interconnessioni ed, inoltre, saranno analizzate le tecniche per la valutazione e la riduzione di questi disturbi.

Scopo del corso è quello di mostrare, con relazioni  semplici ed intuitive, quali sono i parametri da considerare per minimizzare gli effetti del rumore intrinseco e per interferenza durante la progettazione di un circuito elettronico.

Durante la seconda parte di ogni giornata sarà illustrata, con esempi pratici, l’analisi del rumore

con PSPICE e con altri software commerciali ed, inoltre, saranno presentati e progettati dei circuiti per l’amplificazione e l’elaborazione dei segnali ottimizzati per il basso rumore.

 

 

Target

Il corso è rivolto ai dipendenti INFN che hanno attività nel campo dell’elettronica ed hanno interesse ad approfondire le tecniche di riduzione degli effetti del rumore intrinseco e per interferenza.

 

 

Metodologia didattica

Lezioni teoriche con sussidi didattici (audiovisivi, etc.) ed esempi pratici con l’ausilio di software su Personal Computer. Ogni giornata è divisa in due parti in cui la seconda parte sarà essenzialmente a carattere teorico/pratico e dedicata ad esempi e simulazioni con l’utilizzo di software di sviluppo commerciale.

 

 

Responsabile:

Ing.I.D’Antone del Centro di Elettronica della Sezione di Bologna.

 

 

 

PROGRAMMA

 

Prima giornata

 

Ore 9.30 Registrazione Partecipanti

 

Ore 9.50  Apertura Lavori

 

Ore 10.00:

Il rumore intrinseco

·         Il rumore nel dominio del tempo, nel dominio della frequenza e come processo statistico.

·         Teoremi sul rumore: filtraggio, somma.

·         Origine del rumore: termico, shot, flicker, burst. Esempi.

·         Rumore nei preamplificatori. Esempio con amplificatore operazionale.

·         Rumore nei dispositivi attivi. Confronto tra BJT e FET.

·         Banda equivalente di rumore e numero di poli. Esempio.

·         Figura di rumore NF: definizione ed espressione in funzione della resistenza della sorgente. Esempio con un amplificatore non-invertente. 

·         Figura di rumore in amplificatori a più stadi. Esempi.

·         Rumore negli ADC: rumore di quantizzazione, ENOB, SINAD. Effetti del jitter del circuito di clock.

 

 

Ore 11.15   COFFEE  BREAK

 

Ore 11.45:

Il rumore intrinseco nei preamplificatori. Misura del rumore.

·         Tipi di preamplificatori.

·         Segnale e rumore in una catena di preamplificazione sensibile alla carica. Esempio di analisi nel dominio della frequenza e nel dominio del tempo.

·         Costante di formatura che minimizza la carica equivalente di rumore (ENC). Esempio di filtro CR-RC. Filtro adattato. Adattamento capacitivo tra sensore e preamplificatore. Scelta del dispositivo di ingresso.

·         Amplificatore a transimpedenza. Esempio: compensazione per la stabilità e calcolo del rumore.

·         Considerazioni sul rumore dei preamplificatori: ampl. di tensione, ampl. sensibile alla carica e  ampl. a transimpedenza. Come simulare il rumore intrinseco con SPICE.

·         Strumenti per la misura della densità spettrale di rumore. Rumore degli strumenti: voltmetro a valore quadratico medio, oscilloscopio e analizzatore di spettro.

·         Precauzioni per la misura del rumore.

·         Necessità di un post-amplificatore per la misura del rumore. Esempio di post-amplificatore.

 

 

Ore 12.45   DISCUSSIONE

 

 

Pranzo

 
Ore 14.30:

Simulazioni pratiche con SPICE. Modelli di sensori per l’analisi del rumore.

·         Nomenclatura di SPICE per l’analisi del rumore e simulazione di alcuni circuiti: circuito RC, amplificatore invertente.

·         Misura, con SPICE, della densità spettrale di rumore, del rumore totale e della banda di rumore.

·         Creazione di generatori di rumore (di tensione e di corrente) in SPICE, con blocchi SUBCKT.

·         Modelli di SiPM (fotomoltiplicatore al silicio) per l’analisi del rumore.

 

 

Ore 15.45  COFFEE BREAK

 

 

Ore 16.15:

Simulazioni e confronti di alcuni tipi di preamplificatori.

·         Simulazione del rumore in un amplificatore di tensione nei casi di sorgente a bassa impedenza e sorgente ad alta impedenza.

·         Simulazione di un amplificatore a transimpedenza: diagramma a loop aperto e curva “noise gain”.

·         Confronto, con SPICE, tra il rumore totale di un amplificatore di tensione e il rumore totale di un amplificatore a transimpedenza.

·         Simulazione del rumore in un amplificatore a transimpedenza realizzato con CFA (current feedback amplifier) e VFA (voltage feedback amplifier).

·         Figura di rumore di un amplificatore calcolata con SPICE.

·         Programma Matlab per il calcolo della figura di rumore in amplificatori a più stadi.

 

 

Ore 17.30  DISCUSSIONE

 

 

 

 

Seconda giornata

 

Ore 9.30  Apertura Lavori

 

Ore 9.40:

Tipi di interferenze.

·         Caratterizzazione di un dispositivo con i parametri S. Diagramma di Smith e progetto delle reti di adattamento. Esempi.

·         Tipi di accoppiamento: per conduzione, per radiazione. Impedenza di un’onda elettromagnetica. Esempi di accoppiamenti all’ingresso di un amplificatore.

·         Crosstalk capacitivo e induttivo. Esempio di crosstalk tra due piste di PCB e tra due linee di trasmissione: analisi nel dominio del tempo e nel dominio della frequenza (con i parametri S).

·         Analisi del crosstalk: matrice di accoppiamento delle capacità, matrice di accoppiamento delle induttanze e matrice delle resistenze.

·         Meccanismi di accoppiamento radiato. Esempi e software per la simulazione.

·         Conduttori schermati e conduttori intrecciati. Esempio.

 

 

 

Ore 11.00   COFFEE  BREAK

 

 

Ore 11.30:

Riduzione delle interferenze.

·         Schermatura. Tipi di perdite. Effetto delle aperture.

·         Amplificatore schermato. Collegamento a massa dello schermo di un cavo. Effetto della tensione di offset fra le masse alle estremità di un cavo. Interruzione dei loop di massa.

·         Circuiti bilanciati. Conversione da single-ended a differenziale.

·         Tecniche di guardia.

·         Emissioni condotte. Filtri di rete. Installazione di filtri commerciali.

·         Grounding. Effetto della induttanza delle piste di alimentazione e massa.

·         Disaccoppiamento in un amplificatore a singolo stadio. Disaccoppiamento con filtri RC o LC.

·         Alimentazione e massa nei sistemi di conversione Analogico/Digitale.

·         Filtro con ferrite. Esempio.

·         Condensatori di disaccoppiamento: ceramici, tantalio. Esempi di selezione dei condensatori.

 

 

Ore 12.45  DISCUSSIONE

 

Pranzo

 
 
Ore 14.30:

Strumenti software per la simulazione del crosstalk.

·         Esempi pratici di adattamento di impedenza con i parametri S e diagramma di Smith.

·         Simulazione del crosstalk con Hyperlynx e analisi dei risultati del “field solver”.

·         Confronto tra Hyperlynx, MicroWave Office (MWO) e SPICE nell’analisi del crosstalk.

·         Analisi delle emissioni radiate con l’analizzatore di spettro di Hyperlynx.

·         Alcune simulazioni di crosstalk: effetto di una pista di guardia, linee differenziali.

·         Simulazione con MWO della distribuzione delle correnti nelle linee differenziali e nei PCB con slot nel piano di massa.

 

 

Ore 15.45 COFFEE BREAK

 
Ore 16.15:

Tecniche di disaccoppiamento sulle linee di alimentazione e massa.

·         Simulazione con SPICE dei condensatori di disaccoppiamento e delle ferriti sulle linee di alimentazione.

·         Programma Matlab per l’analisi dell’impedenza di una rete di disaccoppiamento.

·         Simulazione con Hyperlynx (pacchetto Power Integrity) di un array di condensatori per il disaccoppiamento in un PCB.

·         Simulazione con MWO dell’effetto dei condensatori di disaccoppiamento nei PCB con slot nel piano di massa.

 

 

Ore 17.30  DISCUSSIONE

 

 

Terza giornata

 

Ore 9.30  Apertura Lavori

 

Ore 9.40:

Elettronica a basso rumore e ad alta frequenza.

·         Dispositivi attivi per le alte frequenze. Polarizzazione dei dispositivi. Parametri S di un transistor.

·         Studio della stabilità col diagramma di Smith. Tecniche per ottenere la stabilità incondizionata.

·         Adattamento di impedenza in ingresso e in uscita per ottenere il massimo guadagno. Esempi.

·         Figura di rumore ad alta frequenza. Adattamento in ingresso per ottimizzare il compromesso tra guadagno e figura di rumore.

 

 

Ore 11.00   COFFEE  BREAK

 

Ore 11.30:

Progetto di amplificatore a basso rumore.

·         Progetto di un amplificatore a basso rumore con guadagno 15dB a 5GHz utilizzando un dispositivo HJFET. Ottimizzazione delle caratteristiche di rumore, di guadagno e di stabilità tramite MicroWave Office (MWO).

 

 

Ore 12.45   DISCUSSIONE

 

 

 

La Segreteria del corso è curata  dalla Sig.ra  Maria  GANGI 

Tel. 051- 2095069 _ Fax 051-2095069_ e-mail gangi@bo.infn.it