(Questa domanda mi è venuta in mente a seguito di un'altra domanda qui.)

Di solito sono esigente di usare i condensatori di disaccoppiamento vicino a tutti i pin di alimentazione sui circuiti integrati, grandi e piccoli, analogici o digitali. Quando possibile, utilizzo anche i piani di potenza e di terra nei progetti PCB. In generale, provo a utilizzare la "buona pratica" per ottenere un design affidabile e robusto. E, per quanto ne so, ho avuto successo.

La domanda è: quali sono gli indicatori del disaccoppiamento inadeguato. Supponiamo che abbia deciso di non includere i cappucci di bypass sui pin di alimentazione di un microcontrollore o transceiver CAN o qualcos'altro.

Ci sono alcuni ovvi indicatori come il microcontrollore che si ripristina spontaneamente, ma devono esserci problemi più sottili che non potrei nemmeno vedere, o che non potrei attribuire a un disaccoppiamento inadeguato.

I sintomi sono che la maggior parte delle volte andrà bene, tranne che a volte potrebbe non esserlo. Questo può essere dipendente dai dati e molto difficile da riprodurre.

Pensa a cosa sta succedendo. Alcuni chip aumentarono improvvisamente la sua domanda attuale. Ciò ha causato un abbassamento della tensione di alimentazione immediata a un livello in cui il corretto funzionamento non è più garantito. Anche in caso contrario, il rapido cambiamento della tensione di alimentazione può causare problemi.

È molto difficile prevedere quale potrebbe essere esattamente quel problema e a quale soglia di tensione o derivata di tensione si verifica a. Una riga di dati può essere temporaneamente interpretata nello stato errato. Un flip-flop può essere capovolto. Non lo sai. Qualunque cosa accada è anche una funzione della temperatura, persino il riscaldamento irregolare della matrice. Prova a riprodurlo esattamente da un test all'altro.

Quindi la linea di fondo è che le cose possono diventare traballanti. Può essere. A volte.

I problemi riscontrati varieranno molto a seconda del circuito utilizzato e dei circuiti integrati utilizzati. Penso che la tua scommessa migliore non sia cercare un comportamento problematico specifico del circuito ma solo controllare direttamente la tua tensione Vcc-GND sul tuo ambito il più vicino possibile al pin dei tuoi circuiti integrati.

Durante il funzionamento, dovresti vedere una linea piatta (tensione continua pura). Se ottieni increspature, questo è un indizio che il tuo disaccoppiamento è insufficiente. Devi guardare la tensione per tutti gli stati che il tuo circuito può avere e per un lungo periodo di tempo. Le increspature possono apparire periodicamente durante una trasmissione digitale solo per esempio. Inoltre, è necessario ripetere questa misurazione per tutti i circuiti integrati sul PCB anche se si trovano sullo stesso bus di alimentazione.

La frequenza dell'ondulazione è molto importante in quanto ti dirà quale tipo di condensatore è necessario per attenuare questa ondulazione specifica. Ad esempio, un'ondulazione a bassa frequenza (inferiore a 1 kHz) verrà filtrata facilmente con un condensatore in alluminio, mentre un'ondulazione ad alta frequenza (100 kHz o 1 Mhz) verrà filtrata più facilmente da un condensatore a film o condensatore ceramico.

L'ampiezza dell'ondulazione ti darà un'idea di quanto deve essere Farad il tuo condensatore di disaccoppiamento.

Penso che questo metodo sia il migliore per essere sicuro che il tuo circuito non soffra di scarso disaccoppiamento invece di cercare un comportamento strano / incoerente del circuito.

Ho una risposta più semplice e più breve:

Quando hai un potere inadeguato otterrai tutti i tipi di strani problemi che di solito non sono collegati tra loro e che a prima vista sembrano impossibili da spiegare.

Questa risposta ha 4 parti: jitter, power-gate-driver, ADC e dataeye / PAM assestamento.

Le specifiche del jitter non saranno realizzabili e la riproduzione audio sarà "rumorosa". Il tuo phasenoise (aka jitter) non sarà realizzabile e il tuo collegamento wireless potrebbe non essere nemmeno sincronizzato; i tassi di errore di bit o di errore del pacchetto saranno inaccettabili; i collegamenti wireless duplex (destinati a consentire la trasmissione e la ricezione simultanee) meriteranno perché la fase di chiusura ravvicinata del trasmettitore entrerà direttamente nella porzione di spettro pianificata per il ricevitore.

Per i circuiti integrati del driver di alimentazione, dati i cavi GND e VDD lunghi, si aspettano che i binari collassino inizialmente e poi squillino verso l'alto, ben al di sopra del VDD. Da 5 o 10 volt, dati 3 cm di filo nei cavi del Cbypass non a montaggio superficiale o in assenza di un piano di massa.

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Quindi ............ l'autodistruzione è il risultato di condensatori di bypass non locali.

Il circuito risonante è costituito dalle induttanze del conduttore e dal substrato C_well_ su chip che è molto più piccolo del PCB Cbypass.

[modifica] Per quanto riguarda OpAmps e ADC: le tue misurazioni mostreranno un ampio CODICE SPREAD. Il tuo opout Vout non si stabilizzerà mai, perché il loro VDD sta squillando alle alte frequenze e appare direttamente sul Vout dell'OpAmp, per essere digitalizzato da ADC.

Il tuo DataEye sarà nervoso, rumoroso, con top non piatti, quindi interferenza dell'Inter-Symbol perché il VDD non è mai silenzioso, non si è mai stabilizzato e quell'ondulazione VDD esplode proprio attraverso gli OpAmps al tuo segnale perché gli OpAmps hanno 0 dB PSRR in alto frequenze (squillo conduttore-conduttore).

Fornire qualità, integrità del segnale e margine di errore!

Se sai già cosa significa DVT ed esegui un DFM, DFT e DVT rigorosi sulle specifiche di progettazione, allora potresti prendere in considerazione l'aggiunta di test di affidabilità di sensibilità nel tuo piano di test di convalida del progetto. Ciò include: forzare la tensione di alimentazione a limiti del +/- 10% e modificare i limiti +/- delle frequenze dei cristalli per cercare errori funzionali (ovvero il test del diagramma di Schmoo). - Fai lo stesso con hi / lo Temp e high% RH mentre inietti rumore di impulso 1A usando un loop sopra i chip, cercando tracce ad alta impedenza con sorgenti ad alta impedenza che non possono sopprimere il rumore accoppiato.
- È possibile annusare la scheda con un filo di terra della sonda in cortocircuito verso la punta e guardare un analizzatore di spettro o un oscilloscopio con la massima sensibilità in cerca di rumore e quindi iniettare il rumore indietro usando un loop di dimensioni simili da un generatore di impulsi fai-da-te da 1 amp in cerca di problemi funzionali.

Proprio come prevedere quando il vetro andrà in frantumi, i sistemi binari in un mondo analogico funzionano perfettamente fino alla rottura.

Per capire il margine di errori sintomatici, bisogna capire dove il rumore va e viene.

Il RUMORE può essere misurato con precisione e determinato il margine di errore.

• Fonti: per conduzione, induzione o accoppiamento C.
  • impulsi di rumore condotti e / o irradiati o modulazione RF (> 30MHz) o RF, campi di impulso EH ($V=Ldi/dt$), Rapporto di capacità carico / accoppiamento * Vnoise, demodulazione interna di RF vagante, accoppiamento di corrente di binari adiacenti o correnti commutate vicine, impulsi di modo comune accoppiati a impedenze segnale / gnd sbilanciate, rumore di alimentazione condotto e rumore di ritorno gnd (noto anche come spostamento del terreno) , corrente indotta $I_c=CdV/dt$. Può anche provenire dall'ondulazione di impedenza non corrispondente, dove il tempo di salita,$t_R$è inferiore all'elica. ritardo,$t_D$ in pista.

    • ESD al frame gnd è anche EMI che si accoppia come spostamento del terreno o interferenza del segnale.

• destinazioni: per conduzione, induzione o accoppiamento C.
  • PSRR: ogni gate ha una zona lineare ma a differenza degli amplificatori operazionali con polarizzazione della sorgente corrente, il rapporto di reiezione del rumore di alimentazione non è lineare ed è critico solo durante la commutazione quando entrambi i driver Nch e Pch sono attivi e non solo iniettando rumore da entrambe le guide ma conducendo rumore da entrambe le guide all'uscita. Il rumore di alimentazione differenziale tra mandata e ricevitore implica uno spostamento della soglia per il punto di transizione di picco nel tempo che determina se più transizioni possono passare attraverso il gate o meno. Quando l'interruttore è completamente conduttivo, l'impedenza / reattanza del binario può essere molto più elevata dell'impedenza del driver che varia da 22 a 33 o 50 +/- 20% Ohm per diverse famiglie logiche di tensione. (> 300 Ohm per la serie CD4000 legacy)

Correnti indotte da circuiti di segnale di grandi dimensioni piuttosto che deviate attraverso i vicini Cap a Vss: piani Vdd (piani a bassa induttanza)

Siamo in grado di prevedere tutti i risultati della comunicazione binaria come un rapporto segnale / rumore analogico, SNR, con una funzione di probabilità o un tasso di errore bit. (BER).

• Allora, qual è il SNR di Logic?

  • 40 dB è buono (<1% Vpp), 30 dB è giusto, 20 dB è scadente (10% Vpp)

• C'è un bit rate rate per qualche segnale logico?
  • Sì, ma di solito è ridicolmente grande, fino a quando non segui le regole di progettazione per i piani di potenza / terra e i tappi di disaccoppiamento. Quindi può diventare praticamente piccolo se si trascura il disaccoppiamento o troppo complesso per calcolarlo, quindi si verifica sempre il margine prima di passare alla produzione critica in cui i costi del fallimento sono elevati.
  • Qual è il segnale?
  • Vss, Vdd ciascuno trattato come segnale verso un punto di riferimento vicino al chip di ricezione o di invio.
  • Che cos'è il rumore?
  • Un disturbo abbastanza piccolo che non può essere facilmente visto ma abbastanza grande da far fallire il tuo progetto, subito dopo la spedizione. ;) equivalente di "Blowing a raspberry"
  • Fondamentalmente tutto ciò che non è un segnale della forma d'onda del foglio dati.
  • Qual è la soglia di ingresso?
  • circa Vss / 2 +/- x% o 1,3 V sia per 74HCTxx sia per RS-232 (sì, è giusto)
  • Cosa sono $V_{oh(min)}$ e $V_{ol(max)}$ ?
  • questi sono i livelli di uscita (hi / lo) nelle specifiche IC. per ogni famiglia logica progettata per offrire un buon margine di rumore (NELLA MAGGIOR PARTE DEI CASI) Non garantisce che il sistema sia privo di errori EMI! Questi livelli alla corrente dichiarata definiscono anche il driver Ron o$RdsOn$impedenza (max) per Hi (1) e Low (0). Tipicamente 25 ohm in logica 74ALV e 50 ohm in logica 74HC.
  • Cosa sono $V_{oh(min)}$ e $V_{ol(max)}$? Questi sono i livelli di margine definiti per garantire una commutazione affidabile.
  • quindi vediamo che esiste un margine di rumore intrinseco nella progettazione della logica con la differenza tra questi livelli e la vera soglia dell'interruttore di ingresso Vth. Per TTL è possibile misurarlo su qualsiasi ingresso flottante con sonda a terra. Per CMOS è possibile testare qualsiasi gate con un feedback negativo R come 1Mohm e osservarlo come soglia di ingresso nella regione lineare con un guadagno di tensione di almeno 10 per gate interno. Le porte NAND sono 3 stadi di inversione, quindi hanno un guadagno lineare> 1k. Questo è stato vero in tutte le famiglie CMOS, che ho visto.

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Non mostrato è l'ESR 100 ohm dei diodi e della capacità di ingresso e molti altri dettagli.

Esistono eccellenti ragioni per utilizzare una potenza separata e un piano di massa il più vicino possibile per aumentare la capacità tra quel momento. L'induttanza di un quadrato è la stessa per un intero PCB o un piccolo condensatore di chip. Ci sono buoni motivi per scegliere 0,01uF su 0,1uF e viceversa se si sceglie la ceramica, SRF con correnti di clock sincrone e layout della traccia. Puoi giudicare il tuo problema di rumore annusando con un loop dell'oscilloscopio e misurando l'integrità del segnale dell'alimentazione senza una clip di terra utilizzando punte da 1 cm e connessioni a barilotto su sonda 10: 1> 300 MHz.

Impara a testare il margine di rumore in ogni progetto

• di solito pianificato nel DVT anche se hai molta esperienza EMI. In prossimità di test di sniffaggio RF (1 cm) e iniezione di rumore.

Ricorda nel tuo layout che la distanza del loop non solo determina l'induttanza del percorso, ma l'area del loop determina i livelli di rumore del campo EH.

I sintomi funzionali degli errori del rumore logico sono qualcosa di inaspettato, quando meno te lo aspetti