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.
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
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 11.45:
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
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
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
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 11.30:
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
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
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
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 11.30:
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