Sviluppare progetti con processori sempre più veloci, microcontrollori con enormi capacità di calcolo e reti che sfruttano i più recenti standard per le comunicazioni wireless è sicuramente un’esperienza avvincente. Ma non bisogna mai dimenticare che esistono anche resistori, induttori e condensatori. Anche i componenti passivi si sono evoluti grazie ai miglioramenti delle tecnologie produttive e una maggiore comprensione dei principi fisici alla base del loro funzionamento.
Poiché la comunicazione in modalità wireless è divenuta parte integrante della vita di ogni giorno, le frequenze dell’ordine dei GHz sono oramai onnipresenti. Senza dimenticare che la richiesta di potenze di elaborazione sempre maggiori in dispositivi di dimensioni via via più ridotte comporta un parallelo aumento delle frequenze di clock in una pluralità di oggetti di uso quotidiano. In definitiva, le radiazioni RF sono dappertutto, sia nelle tasche dei nostri abiti sia nello spazio che ci circonda. Considerata l’elevata sensibilità che contraddistingue tutti i circuiti elettronici, le interferenze e, di conseguenza, i malfunzionamenti da esse generati, dovrebbero essere abbastanza comuni.
A questo punto è lecito domandarsi il motivo per il quale i moderni dispositivi elettronici funzionano senza dar luogo a problemi di sorta. E’ abbastanza evidente il fatto che per raggiungere questo obiettivo interferenze e rumore sono stati ridotti a un livello tollerabile. Qui entrano in gioco i componenti passivi: abbinati a svariati dispositivi elettromagnetici, essi consentono a processori, memorie e trasmettitori di espletare al meglio i compiti cui sono preposti. Nonostante il ruolo chiave che ricoprono, nella maggior parte dei casi i componenti passivi non rappresentano una priorità per i progettisti che, in fase di selezione, si limitano alla consultazione di un elenco di componenti standard. Un approccio di questo tipo non è certamente sufficiente nel momento in cui si ha a che fare con amplificatori ad alta frequenza, convertitori dati o altri circuiti elettronici complessi. In questo caso, per ottenere le prestazioni specificate è indispensabile scegliere i componenti passivi adeguati.
I dispositivi passivi come resistori, induttori, condensatori, anelli di ferrite e trasformatori non generano energia e non richiedono alimentazione per poter funzionare. Per definizione, non amplificano segnali e neppure possono essere impiegati per il controllo di circuiti. Tuttavia, possono attenuare o controllare segnali, provocare sfasamenti o produrre retroazioni. Il nucleo centrale di qualsiasi moderno sistema elettronico è la scheda a circuito stampato (PCB) sulla quale sono alloggiati connettori, oltre a componenti attivi e passivi. I dispositivi sono connessi attraverso piste conduttive che possono essere celate all’interno del materiale con cui è realizzata la scheda (che è di tipo non conduttivo come ad esempio la resina) oppure posizionate sulla superficie della stessa. Esistono alcune regole di base da seguire durante la progettazione della scheda, che permettono di minimizzare il rumore e gli effetti negativi da esso generati:
1) Le piste di segnale devono essere le più sottili possibile. Per ridurre l’accoppiamento capacitivo, una sorgente di rumore molto comune, le piste dovrebbero avere uno spessore inferiore a 8 mm.
2) La distanza che separa due piste adiacenti dovrebbe essere maggiore dell’ampiezza delle piste al fine di evitare l’insorgere di fenomeni di diafonia di entità significativa.
3) Le curve strette, ad esempio con angoli a 90°, sono causa di interferenza per cui dovrebbero essere evitate.
4) Se possibile, è necessario evitare di far scorrere piste al di sotto degli oscillatori.
5) Poiché il rumore a elevate frequenze prodotto dai circuiti digitali può provocare errori su tutti i tipi di circuiti, è necessario prevedere una distanza di separazione sufficiente tra componenti analogici e digitali.
I più diffusi tool per la progettazione di PCB sono comunque in grado di segnalare la violazione di queste regole proponendo soluzioni alternative. Il componente passivo più comune è molto probabilmente il resistore. Utilizzati per l’adattamento di impedenza e per la polarizzazione, i resistori sono disponibili in varie tipologie: a filo avvolto, a strato di carbone (CCR – Carbon Composite Resistor) o a film. Alle alte frequenze, i resistori a filo avvolto (che sono fondamentalmente bobine di filo) diventano induttivi. I resistori a film, anche se formati da sottili anelli di film metallico, che diventano induttivi alle alte frequenze, possono comunque essere utilizzati in alcuni circuiti che operano a frequenze elevate. Poiché i terminali di un resistore sono paralleli tra di loro, danno origine a una capacità. I resistori contraddistinti da una resistenza di valore elevato possono evidenziare una capacità in parallelo alla resistenza. Ad alte frequenze, un resistore di valore elevato potrà quindi avere un’impedenza minore.
I condensatori, dal canto loro, immagazzinano energia per via elettrostatica sotto forma di carica che si accumula su due o più armature conduttive separate da un dielettrico. I condensatori vengono utilizzati dai progettisti elettronici per il filtraggio e il disaccoppiamento delle linee di alimentazione e di segnale. Alle alte frequenze i condensatori tendono a comportarsi in modo “strano”. I condensatori elettrolitici e a film presentano una certa induttanza parassita e danno origine a fenomeni di risonanza, penalizzando in tal modo le prestazioni RF. Essi possono inoltre creare una resistenza equivalente serie (ESR) nel momento in cui la resistenza parassita si abbina alla resistenza delle armature del condensatore.
Per effettuare la reiezione dell’ondulazione e del rumore, i condensatori di disaccoppiamento devono essere caratterizzati da bassi valori di ESR. Grazie alle dimensioni più ridotte delle armature, l’auto-induttanza dei condensatori ceramici è inferiore. Oltre a ciò, questi ultimi garantiscono una maggiore stabilità alle alte frequenze e si propongono come una valida soluzione per il disaccoppiamento di circuiti integrati. Tutte queste caratteristiche si ritrovano nella serie WCAP-CSRF di Würth Elektronik, formata da condensatori ceramici multistrato (MLCC) per applicazione ad alta frequenza disponibili in modelli con valori di capacità compresi tra 0,20 e 33 pF con tensioni nominali variabili da 25 a 50 VDC.
Poiché i condensatori in alluminio/tantalio per applicazioni dove sono previste elevate temperature, come ad esempio i condensatori in polimeri di alluminio H-Chip di Würth Elektronik, si distinguono per le loro caratteristiche di stabilità al variare della temperatura e della polarizzazione, risultano particolarmente adatti per il disaccoppiamento delle linee di alimentazione.
Una differente tipologia di dispositivo per l’immagazzinamento dell’energia è l’induttore, che risulta in pratica costituito da un avvolgimento di materiale conduttivo. Un induttore ideale immagazzina energia indefinitamente e non dissipa calore: per questo motivo viene indicato come dispositivo “senza perdite”. In realtà, le caratteristiche di un induttore reale sono diverse da quelle di un induttore ideale. Ciascun filo ha una specifica resistenza e nel momento in cui le spire del filo si toccano, si genereranno capacità risonanti parassite che determinano il limite della frequenza superiore. Gli induttori multistrato della serie WE-MK di Würth Elektronik sono dispositivi molto stabili dal punto di vista termico, che non presentano variazioni di induttanza apprezzabili nell’intervallo di temperature compreso tra -40 e +120°C.
Considerazioni conclusive
La corretta combinazione di componenti attivi e passivi è un elemento cruciale per la buona riuscita di un progetto. L’utilizzo di condensatori connessi in parallelo al percorso dai pin di alimentazione a massa permette di minimizzare il rumore. Condensatori con differenti valori di capacità posti in parallelo consentono di ottenere una bassa impedenza in alternata (AC) in un ampio intervallo di frequenze. Poiché a frequenze più basse i condensatori con valori di capacità più elevate rappresentano un percorso a bassa impedenza verso massa, è possibile ottenere una bassa impedenza in un determinato intervallo di frequenza scegliendo valori di capacità adeguati. Una scelta oculata dei componenti attivi e passivi permette di aggiungere qualsiasi elemento parassita necessario per lo sviluppo di progetti ad alta frequenza.
Si ringrazia per la collaborazione Marcel Consée, Mouser Electronics.
