I problemi che possono insorgere una volta realizzata una scheda sono molteplici e possono causare il malfunzionamento del sistema e/o di sistemi adiacenti; durante la progettazione del layout della PCB bisogna tenere in considerazione diversi aspetti e cercare di prevenire effetti indesiderati il prima possibile in modo da ridurre i costi del prodotto finale.
Il tema della compatibilità elettromagnetica (EMC) è molto importante per la funzionalità e la sicurezza di tutti i dispositivi elettronici; il continuo aumento delle frequenze di lavoro, i cambiamenti dei limiti di potenza e schede ad elevata densità di componenti richieste da sistemi sempre più complessi, insieme alla necessità sempre presente di mantenere bassi i costi di fabbricazione, rendono necessaria l’ottimizzazione EMC durante la fase di layout.
Ricordiamo brevemente i due principi di base della compatibilità elettromagnetica (EMC): le correnti dovrebbero tornare alle loro sorgenti attraverso la più piccola area di loop possibile, ovvero nel modo più vicino e compatto possibile al percorso di andata (sotto la traccia); il sistema dovrebbe avere un unico piano di riferimento. Se non viene rispettato il primo vincolo (la corrente forma un esteso percorso di ritorno), si crea una spira di corrente (“loop antenna”); se nel sistema ci sono due piani di riferimento invece che uno, si crea un dipolo (“dipole antenna”). Entrambi sono risultati assolutamente da evitare. Il layout della PCB deve eliminare qualsiasi antenna capace di irradiare e/o captare energia elettromagnetica; per questo scopo devono essere minimizzati i loop di segnale e le corrispondenti linee di ritorno al ground.
La EMC riguarda principalmente tre aspetti: l’integrità del segnale, le emissioni e la suscettibilità.
I problemi relativi all’integrità del segnale (SI: Signal Integrity) sono il crosstalk, il ringing, le riflessioni, i ritardi e gli effetti relativi ai tempi di salita e discesa del segnale. Questi problemi incidono sulla stabilità funzionale di ogni dispositivo elettronico e se si verifica anche uno solo di questi, il componente può non funzionare in modo corretto. L’integrità del segnale è rilevante specie in PCB che lavorano con alte frequenze di clock (dell’ordine delle decine di MHz). Questo aspetto, essendo maggiormente correlato alle tecniche di routing (ovvero il modo in cui vengono tracciate le connessioni elettriche sulla PCB), sarà approfondito nei prossimi paragrafi.
Le emissioni e le relative interferenze riguardano i diversi tipi di campi EM prodotti da un dispositivo elettronico ed è principalmente un problema causato da dispositivi digitali. La suscettibilità EM riguarda il rischio che il funzionamento di un dispositivo sia influenzato dai campi EM prodotti da altri dispositivi ed è un problema che riguarda principalmente i dispositivi analogici. Le tecniche di design che riguardano la suscettibilità sono simili a quelle delle emissioni; aree di loop di dimensioni maggiori tendono a ricevere livelli di segnale più elevati e sono anche capaci di emettere EMI a livelli più alti. Il ground bounce o accoppiamento di impedenza comune dei circuiti può causare problemi di EMI ed il malfunzionamento del circuito. Per esempio, se un percorso di ground ha alta impedenza può causare la traslazione della tensione di riferimento di un circuito di pilotaggio con la conseguenza che il suo ingresso al dispositivo digitale è al di fuori del richiesto range di commutazione per le normali operazioni.
Frequenze di clock elevate e bassi tempi di salita/discesa dei segnali (fronti ripidi), richiesti in molti progetti di PCB, richiedono una appropriata gestione del progetto del
circuito, del layout e del routing della scheda al fine di minimizzare le interferenze elettromagnetiche (EMI). Le commutazioni ad alta frequenza infatti hanno la capacità di produrre onde elettromagnetiche che generano risonanza, power e ground bounce, rumore di commutazione simultanea, riflessioni e accoppiamento tra tracce di segnale e piani di massa e/o alimentazione. Inoltre, l’attività sincrona di un elevato numero di dispositivi di clock causa la commutazione simultanea della corrente; le tracce sulla PCB che connettono i pin di ingresso/uscita dei circuiti integrati possono formare un’effettiva antenna che irradia rumore accoppiandolo ai cavi esterni. La natura sincrona di un circuito può causare piccoli guasti ed emissioni dall’alimentatore che fornisce la tensione ai circuiti elettronici e ai clock.
Su una PCB i componenti attivi sono i principali generatori di rumore. I conduttori (tracce e fili di interconnessione) agiscono come antenne e irradiano il rumore verso altri sistemi; queste indesiderate antenne inoltre possono ricevere il rumore generato da sorgenti esterne. Le correnti di interferenza condotte dall’esterno possono disturbare gli ingressi sensibili dei circuiti analogici e ridurre il margine di rumore dei dispositivi digitali. La corrente condotta sui cavi di connessione può essere irradiata o accoppiata in modo incrociato a cavi adiacenti causando interferenze in altre parti del sistema.
Il flusso di corrente relativo ad una sorgente di rumore lungo una traccia può essere di modo differenziale o comune. Il rumore di modo differenziale è potenzialmente generato da qualsiasi segnale in circuiti elettrici ed elettronici perché la relativa radiazione è causata dalle correnti che circolano lungo percorsi chiusi formando una spira o loop di corrente. Un qualsiasi segnale nella PCB infatti, viaggia lungo una traccia fino al dispositivo ricevente (percorso di andata) e quindi torna indietro lungo il percorso di ritorno, formando una tensione differenziale tra i due conduttori. La quantità di radiazione emessa da queste sorgenti è proporzionale al livello di corrente, alla superficie di loop e al quadrato della frequenza. L’emissione è anche sensibile all’orientamento; la radiazione del campo elettrico da una piccola spira è massima nel piano della spira e minima lungo gli assi della spira. Il layout della PCB deve essere progettato in modo da minimizzare il rumore di modo differenziale, riducendo l’ampiezza di questa corrente, il suo contenuto di frequenza e i tempi di salita e discesa del segnale; anche i percorsi della corrente nella PCB, formati dal segnale e dal suo ritorno possono essere ridotti attraverso opportune tecniche di design utilizzando ad esempio i piani i massa e alimentazione.
Il rumore di modo comune (o rumore di impedenza comune) è prodotto da una corrente elettrica (o dal relativo segnale) che viaggia simultaneamente sotto la traccia e
lungo il suo percorso di ritorno; la sorgente della tensione di rumore è l’impedenza che è in comune al segnale e al suo percorso di ritorno. Il rumore di modo comune è spesso presente nei cavi o nelle tracce di ground (“monopole”) ed è dovuto all’impedenza finita del ground che fornisce un’impedenza comune per l’accoppiamento del rumore. L’ampiezza della radiazione è proporzionale al livello di corrente, alla lunghezza della linea e alla frequenza ed è indipendente dall’orientamento rispetto alla sorgente. Mentre le correnti di modo differenziale rappresentano comunque il segnale voluto, le correnti di modo comune sono spesso prodotte involontariamente a causa dell’impedenza finita del ground o attraverso l’accoppiamento tra circuiti; queste sono più difficili da prevedere e sono di solito le più dannose nei loro effetti. Questo tipo di rumore può essere ridotto attraverso l’uso di appropriate tecniche di design riducendo l’impedenza di modo comune o mettendo una ferrite attorno al cavo.