Il rumore nei circuiti elettronici

Ignazio D’Antone

(Corso per dipendenti INFN)

 

 

 

Obiettivi

 

La progettazione di una moderna scheda elettronica presenta problematiche più complesse rispetto ad alcuni anni fa: da un lato viene richiesta l’ integrazione di un numero sempre maggiore di componenti, dall’altro si assiste a un incremento delle frequenze di clock e alla contemporanea riduzione delle dimensioni fisiche delle schede.

I componenti attuali permettono di operare su segnali con tempi di salita inferiori al nanosecondo. Con  segnali aventi queste caratteristiche, le piste che connettono i componenti su una scheda non possono essere più considerate alla stregua di semplici collegamenti ohmici, bensì trattate come linee di trasmissione. Tale comportamento, tanto più pronunciato quanto più ricco è il contenuto armonico della forma d’onda che viaggia sulla connessione, si manifesta anche con cavi di collegamento o piste di circuito stampato di pochi centimetri.

L’incremento del contenuto armonico dei segnali produce anche un peggioramento delle emissioni elettromagnetiche, che provocano a loro volta un aumento delle interferenze del circuito con se stesso o con altri circuiti. L’entità del livello di interferenza dipende strettamente da alcune caratteristiche del circuito stampato, dalle modalità di progettazione dei circuiti di alimentazione e di massa delle schede e dal disegno delle connessioni tra i componenti.

Scopo del corso è quello di mostrare quali sono i parametri da considerare durante la progettazione di una scheda elettronica con segnali ad alta velocità, da cosa dipende il rumore intrinseco e di interferenza, come minimizzare gli effetti del rumore per ottenere l’integrità dei segnali. Con l’aiuto di tabelle e semplici relazioni, analizzate in modo chiaro ed intuitivo, vengono presentate le cause del rumore e le tecniche per ridurne gli effetti, da utilizzare sia in fase di progettazione, quando i margini di intervento sono ampi e la scheda non è stata fisicamente realizzata, sia in fase di test della scheda per operare gli interventi più efficaci.

Dopo una introduzione delle catene tipiche di acquisizione dati per la fisica delle particelle verranno illustrati i comportamenti reali dei componenti elettronici all’aumentare della frequenza di lavoro, quindi verranno esaminati i problemi dovuti a  disadattamento, grounding, crosstalk, effetti induttivi/capacitivi creati da tali comportamenti e saranno indicate le tecniche per attenuarli.

Oltre ai problemi dovuti ad interferenze di tipo elettromagnetico, che si presentano sia nei circuiti analogici di front-end  che nei circuiti digitali di trigger o di acquisizione, verrà discusso anche il rumore intrinseco dei componenti, importante nei circuiti di elaborazione dei segnali analogici provenienti dai rivelatori.

 

 

 

 

Target

 

Il corso è rivolto al personale tecnico dell’INFN e a tutti coloro (dipendenti INFN) che hanno attività nel campo dell’elettronica ed hanno interesse ad approfondire l’aspetto del rumore e delle tecniche per ridurlo.

 

 

Docente

 

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

 

 

Organizzazione del corso

 

Il corso, effettuato presso la sede di Viale Berti Pichat 6/2, è organizzato in 6 lezioni di un’ora secondo il seguente programma:

 

 

 

13 Marzo 2002 ore 9.00 Aula 2, viale Berti Pichat 6/2

 

Rumore nei sistemi di elaborazione del segnale da rivelatori di particelle

 

Elaborazione del segnale da un rivelatore di particelle

Circuito equivalente del rivelatore

Amplificatore operazionale

Connessione rivelatore-preamplificatore

Comportamento in frequenza

Configurazioni tipiche di preamplificatori

Catena tipica di preamplificazione/discriminazione

Trasmissione dei dati ai sistemi DAQ/trigger

Tipi di rumore: intrinseco e di interferenza

 

 

 

20 Marzo 2002 ore 9.00 Aula 2, viale Berti Pichat 6/2

 

Comportamento non ideale dei componenti elettronici

 

Dimensioni elettriche

Tempo di salita e distanza

Linee di trasmissione: Impedenza, effetto pelle, attenuazione, velocità di propagazione

Piste di PCB: errori dovuti al comportamento reale delle piste

Misura di capacità e induttanza

Induttanza di una pista PCB

Sonde di oscilloscopio

 

 

 

3 Aprile 2002 ore 9.00 Aula 2, viale Berti Pichat 6/2

 

Linee di trasmissione

 

Riflessioni del segnale su una linea di trasmissione

Casi particolari di terminazioni di linea

Discontinuità delle linee di trasmissione

Capacità distribuite: BUS

Tecnica TDR (“Time Domain Reflectometry”)

Angoli e fori passanti

Connettori

Connessione connettore-cavo esterno

Emissioni condotte

 

 

 

10 Aprile 2002 ore 9.00 Aula 2, viale Berti Pichat 6/2

 

Emissioni elettromagnetiche e crosstalk

 

Spettro di un segnale digitale

Emissioni irradiate e suscettività

“Crosstalk” capacitivo e induttivo

“Crosstalk” in resistori di terminazione

“Crosstalk” nelle linee di trasmissione

Conduttori schermati e conduttori intrecciati

Trasmissione differenziale: LVDS

 

 

 

17 Aprile 2002 ore 9.00 Aula 2, viale Berti Pichat 6/2

 

Effetti dovuti ai componenti non ideali

 

Accoppiamento tramite impedenza di modo comune

Collegamenti a massa (“Grounding”)

Disposizione dei componenti su PCB

Collegamenti a massa in sistemi A/D

Effetto della induttanza delle connessioni (“Ground Bounce”)

Effetto della induttanza delle piste di alimentazione e massa

Alimentazione e condensatori di disaccoppiamento

Schermatura ed effetto delle aperture

Clock skew e Jitter

Clock driver: buffer o PLL

PCB layout dei clock driver

IBIS (I/O Buffer Information Specification)

 

 

 

24 Aprile 2002 ore 9.00 Aula 2, viale Berti Pichat 6/2

 

Rumore intrinseco

 

Calcolo del rumore

Origine del rumore

Rumore nei preamplificatori

Rumore nei dispositivi attivi

Confronto tra BJT e FET

Banda equivalente di rumore

Figura di Rumore

Considerazioni sulla figura di rumore NF

NF al variare dell’impedenza della sorgente

NF totale in una cascata di Doppi Bipoli

Misura della densità spettrale di rumore

Segnale e rumore in una catena di preamplificazione di carica

Carica equivalente di rumore

Matching capacitivo tra rivelatore e preamplificatore

Preamplificatori ibridi- preamplificatori integrati

Layout analogico e tecniche di “grounding”.