PCB-Neuigkeiten - PCB-Zeitbereichsübersprechungsmessverfahren

Zeitbereichsübersprechungsmessverfahren für Leiterplattenqualität verification
Analysis of time-domain crosstalk measurement method for Leiterplattenqualität verification
This article discusses die composition of crosstalk and shows readers how to use Tektronix’s TDS8000B series sampling oscilloscope or CSA8000B series communication signal analyzer to measure crosstalk on a single-sided PCB.
Mit zunehmender Geschwindigkeit digitaler Systeme in den Bereichen Kommunikation, Video, Vernetzung und Computertechnik, die quality requirements for printed circuit boards (PCBs) in such systems are also getting higher and higher. Die frühen PCB-Design Angesichts steigender Signalfrequenz und abnehmender Pulsanstiegszeit konnte die Systemleistung und Arbeitsanforderungen nicht garantiert werden. In der aktuellen PCB-Design, we need to use transmission line theory to model the PCB and its components (edge Steckverbinder, Mikrostreifenlinien, and component sockets). Nur durch vollständiges Verständnis der Formen, Mechanismen und Folgen von Übersprechen auf Leiterplatten und deren größtmögliche Unterdrückung durch entsprechende Technologien können uns helfen, die Zuverlässigkeit von Systemen einschließlich Leiterplatten zu verbessern. Dieser Artikel konzentriert sich hauptsächlich auf PCB-Design, Aber ich glaube, dass der Inhalt, der in dem Artikel diskutiert wird, auch anderen Anwendungen wie der Charakterisierung von Kabeln und Steckverbindern helfen wird.

Mögliche Folgen von Übersprechen

Der Grund, warum PCB-Designer sich um Übersprechen kümmern, ist, dass Übersprechen die folgenden Leistungsprobleme verursachen kann:

>Der Geräuschpegel steigt,

>Schädliche Stachelgrate,

>Datenkantenjitter,

>Unerwartete Signalreflexion.

Welche dieser Fragen werden sich auf die PCB-Design hängt von vielen Faktoren ab, wie die Eigenschaften der auf der Platine verwendeten Logikschaltung, das Design der Leiterplatte, the mode of crosstalk (reverse or forward), und die Störleitung und die Störleitung Die Beendigungsbedingungen auf beiden Seiten. Die folgenden Informationen können den Lesern helfen, ihr Verständnis und ihre Forschung über Crosstalk zu vertiefen., Dadurch wird die Auswirkung von Übersprechen auf das Design reduziert.

Die Methode des Studiums von Übersprechen

Um das Übersprechen in PCB-Design, Wir müssen ein Gleichgewicht zwischen kapazitivem und induktivem Reaktanz finden, und streben danach, den Nennimpedanzwert zu erreichen, weil die Herstellbarkeit der Leiterplatte erfordert, dass die Übertragungsleitungsimpedanz gut gesteuert wird. Nachdem die Leiterplatte entworfen wurde, die Komponenten, connectors, Die Verbindungsmethoden auf der Platine bestimmen, welche Art von Übersprechen großen Einfluss auf die Schaltungsleistung haben wird. Verwendung von Zeitbereichsmessungsmethoden, by calculating the inflection point frequency and understanding the PCB crosstalk (Crosstalk-on-PCB) model, Es kann Designern helfen, den Grenzbereich der Übersprechenanalyse festzulegen.

Zeitbereichsmessung

Um Übersprechen zu messen und zu analysieren, kann die Frequenzbereichstechnologie verwendet werden, um die Beziehung zwischen den harmonischen Komponenten der Uhr im Frequenzspektrum und dem maximalen EMI bei diesen Oberschwingungsfrequenzen zu beobachten. Allerdings ist die Zeitbereichsmessung der digitalen Signalkante (die Zeit, die benötigt wird, um von 10% des Signalpegels auf 90%) zu steigen, auch ein Mittel zum Messen und Analysieren von Übersprechen, und die Zeitbereichsmessung hat die folgenden Vorteile: Änderungen der digitalen Signalkanten Geschwindigkeit oder Anstiegszeit, reflektiert direkt, wie hoch jede Frequenzkomponente im Signal ist. Die durch die Signalkante definierte Signalgeschwindigkeit (d.h. Anstiegszeit) kann auch helfen, den Mechanismus des Übersprechens aufzudecken. Die Anstiegszeit kann direkt zur Berechnung der Biegepunktfrequenz herangezogen werden. In diesem Artikel wird die Anstiegszeit-Messmethode verwendet, um Übersprechen zu erklären und zu messen.

Kniefrequenz

Um sicherzustellen, dass ein digitales System zuverlässig arbeiten kann, müssen Konstrukteure die Leistung des Schaltungsdesigns unterhalb der Biegepunktfrequenz untersuchen und überprüfen. Die Frequenzbereichsanalyse digitaler Signale zeigt, dass Signale, die höher als die Wendepunktfrequenz sind, abgeschwächt werden und daher keinen wesentlichen Einfluss auf Übersprechen haben, während die in den Signalen unterhalb der Wendepunktfrequenz enthaltene Energie ausreicht, um den Betrieb der Schaltung zu beeinflussen. Die Biegepunktfrequenz wird nach folgender Formel berechnet:

Fknie;0,5/trise

PCB-Übersprechenmodell

Das in diesem Abschnitt vorgestellte Modell bietet eine Plattform für die Untersuchung verschiedener Formen des Übersprechens und verdeutlicht, wie die gegenseitige Impedanz zwischen zwei Mikrostreifenlinien Übersprechen auf der Leiterplatte.

Die gegenseitige Impedanz ist gleichmäßig entlang der beiden Leiterbahnen verteilt. Übersprechen wird erzeugt, wenn die digitale Gate-Schaltung eine steigende Kante an die Übersprecherlinie sendet und sich entlang der Spur ausbreitet:

1. Sowohl die gegenseitige Kapazität Cm als auch die gegenseitige Induktivität Lm koppeln oder "übersprechen" eine Spannung zur benachbarten gestörten Leitung.

2. Die Übersprechenspannung erscheint auf der gestörten Leitung in Form eines schmalen Impulses mit einer Breite, die der Anstiegszeit des Impulses auf der Störleitung entspricht.

3. Auf der gestörten Leitung spaltet sich der Übersprecheimpuls in zwei und beginnt dann, sich in zwei entgegengesetzte Richtungen auszubreiten. Dies teilt das Übersprechen in zwei Teile auf: Vorwärtsübersprechen, das sich entlang der ursprünglichen Störimpulsausbreitungsrichtung ausbreitet, und umgekehrtes Übersprechen, das sich entlang der entgegengesetzten Richtung zur Signalquelle ausbreitet.

Übersprechentyp und Kupplungsmechanismus

Entsprechend dem oben diskutierten Modell wird der Kopplungsmechanismus des Übersprechens unten vorgestellt, und die beiden Arten des Übersprechens, Vorwärts und Rückwärts, werden diskutiert.

kapazitiver Kupplungsmechanismus

Interferenzmechanismus verursacht durch gegenseitige Kapazität in der Schaltung:

>Wenn der Impuls auf der Störleitung den Kondensator erreicht, wird ein schmaler Impuls durch den Kondensator an die gestörte Leitung gekoppelt.

>Die Amplitude des gekoppelten Impulses wird durch die Größe der gegenseitigen Kapazität bestimmt.

>Dann wird der gekoppelte Impuls in zwei geteilt und beginnt sich entlang der gestörten Linie in zwei entgegengesetzte Richtungen auszubreiten.

Induktions- oder Transformatorkupplungsmechanismus

Die gegenseitige Induktivität in der Schaltung verursacht die folgenden Störungen:

>Der Impuls, der sich auf der Störleitung ausbreitet, lädt die nächste Position auf, an der der Stromspitze erscheint.

>Diese Art von Stromspitze erzeugt ein Magnetfeld und induziert dann einen Stromspitze auf der gestörten Leitung.

>Der Transformator erzeugt zwei Spannungsspitzen der entgegengesetzten Polarität auf der gestörten Leitung: der negative Spike breitet sich in der Vorwärtsrichtung aus, und der positive Spike breitet sich in der umgekehrten Richtung aus.

umgekehrtes Übersprechen

Die kapazitive und induktive Kopplungsübersprechenspannung, die durch das obige Modell verursacht wird, erzeugt einen additiven Effekt an der Übersprechenposition der gestörten Leitung. Das resultierende umgekehrte Übersprechen weist folgende Merkmale auf:

> Gegenübersprechen ist die Summe von zwei Pulsen der gleichen Polarität.

>Da sich die Übersprechenposition entlang der Kante des Störimpulses ausbreitet, erscheint die umgekehrte Störung als niederpegeliges, breites Impulssignal am Quellende der gestörten Leitung, und es besteht eine entsprechende Beziehung zwischen seiner Breite und der Leiterbahnlänge.

>Die Amplitude des reflektierten Übersprechens ist unabhängig von der Impulsanstiegszeit der Störleitung, hängt aber vom gegenseitigen Impedanzwert ab.

Vorwärts-Übersprechen

Es muss wiederholt werden, dass die kapazitive und induktive Kopplungsübersprechenspannung an der Übersprechenposition der gestörten Leitung akkumuliert wird. Forward Crosstalk weist folgende Merkmale auf:

>Vorwärts Übersprechen ist die Summe von zwei umgekehrten Polaritätsimpulsen. Da die Polarität entgegengesetzt ist, hängt das Ergebnis vom relativen Wert der Kapazität und Induktivität ab.

>Vorwärts Übersprechen erscheint am Ende der gestörten Linie als schmaler Spike mit einer Breite, die der Anstiegszeit des Störimpulses entspricht.

>Vorwärts Übersprechen hängt von der Anstiegszeit des Störimpulses ab. Je schneller die steigende Kante, desto höher die Amplitude und desto schmaler die Breite.

>Die Amplitude des Vorwärtsübersprechens hängt auch von der Länge des Paares ab: da sich die Position des Übersprechens entlang der Kante des Störimpulses ausbreitet, gewinnt der Vorwärtsübersprecheimpuls auf der gestörten Linie mehr Energie.

Charakterisierung des Übersprechens

In diesem Abschnitt werden mehrere einschichtige PCB-Messbeispiele verwendet, um den Erzeugungsmechanismus von Übersprechen und die verschiedenen oben vorgestellten Übersprechentypen zu untersuchen.

Hinweis: Um sich mit den Problemen und Folgen von Übersprechen auf Mehrschichtplatinen und deren Bodenebenen vertraut zu machen, lesen Sie bitte die Referenzen oder andere Ressourcen am Ende dieses Artikels.

Instrumente und Einstellungen

Um Übersprechen im Labor effektiv zu messen, sollte ein Breitband-Oszilloskop mit einer Messbandbreite von 20 GHz verwendet werden, und ein hochwertiger Impulsgenerator sollte einen Impuls mit einer Anstiegszeit gleich der Anstiegszeit des Oszilloskops ausgeben, um den zu testenden Schaltkreis anzutreiben. Gleichzeitig werden hochwertige Kabel, Abschlusswiderstände und Adapter verwendet, um die zu testende Leiterplatte anzuschließen.

Das elektronische Probenahmemodul 80E04 ist in der Instrumentenserie Tektronix 8000B verbaut, die eine ideale Instrumentenkombination zur erfolgreichen Messung von Übersprechen darstellt. 80E04 ist ein Zweikanal-Abtastmodul, einschließlich eines TDR-Schrittspannungsgenerators, der einen 250mv schmalen Impuls mit einer Anstiegszeit von 17ps und Ausgang mit einer Quellimpedanz von 50 Ohms erzeugen kann. Der Tester muss nur die zu testende Leiterplatte anschließen.

Vorwärts-Übersprechermessung

Wenn Sie nur Vorwärtsübersprechen messen, müssen Sie alle Spuren beenden, um Reflexionen zu eliminieren. Vorwärtsübersprechen sollte am Ende eines gut beendeten Interferenzdrahts gemessen werden.

Wenn die gegenseitige Induktivität größer ist als das Übersprechen der gegenseitigen Kapazitätskopplung, dann sollte der Übersprechenimpuls an der steigenden Kante des Störimpulses negativ sein, und die Breite ist gleich der Anstiegszeit des Störimpulses. Das Instrument in der Abbildung zeigt einen negativen Impuls (C4) mit einer Amplitude von 48.45 mV. Die Störimpulsamplitude ist 250 mV, und die Übersprachamplitude ist fast 50 mV, so dass die schnelle Kante des Störimpulses 20% des Übersprechens auf der gestörten Linie produziert.

Da die Eingangsschrittspannung von 80E04 während der Messung eine sehr schnelle Kante hat, ist das erhaltene Übersprechen zu groß und kann das Antriebssignal in der eigentlichen Logikschaltung nicht darstellen. Wenn beispielsweise das Fahrsignal von einem 1,5 ns CMOS Gate kommt, ist der erzeugte Übersprecheimpuls breiter und hat eine kleinere Amplitude. Damit die Messung diese Situation widerspiegelt, können Sie die Define Math Funktion des Instruments verwenden, um nach der Signalerfassung einen Tiefpassfilter hinzuzufügen. Die M1-Wellenform (weiß) in Abbildung 7 gibt die Messergebnisse nach dem Filtern an. Es ist zu beachten, dass M1 in vertikaler Richtung 10-mal empfindlicher ist als die ungefilterte Wellenform.

Obwohl die mathematische Analyse gezeigt hat, dass die Wirkung der Tiefpassfilterung nach der Signalerfassung dieselbe ist wie die der physikalischen Filterung der an die Leitung angeschlossenen Störimpulse, sind die folgenden Schritte überzeugender:

>Messen Sie das Übersprechen, das durch zwei steigende Kanten verursacht wird, eine schnelle und eine langsame, und der gleiche Amplitudenstörungsimpuls,

>Wechseln Sie dann das Übersprechen, das durch den Störimpuls mit der schnell ansteigenden Kante verursacht wird, zu dem Übersprechen, das durch den Störimpuls mit der langsam ansteigenden Kante durch den Tiefpassfilter verursacht wird, und überprüfen Sie schließlich das Ergebnis.

>$Wellenform (R2) ist der langsame Interferenzpuls, und die rote Wellenform (R3) ist das Übersprechen, das durch ihn verursacht wird.

>Die grüne Wellenform ist der schnelle Rand TDR-Impuls (R1), und die weiße Wellenform (R4) ist das Übersprechen, das durch sie verursacht wird.

>Die blaue Wellenform ist die Wellenform, die durch Verlangsamung der aufsteigenden Kante des Pulses nach dem Filtern der weißen Wellenform erhalten wird, und sie stellt das Ergebnis der Nachfilterung des Übersprechens dar. Die in der Abbildung gezeigten roten und blauen Übersprecherwellen werden auf derselben Spannungsskala angezeigt.

Bei der Einzelmessung des Gegenübersprechens ist es notwendig, die Störleitung und die Störleitung mit einem 50-Ohm-Widerstand zu beenden, um die Reflexion zu beseitigen. Die Messung sollte am linken Ende der gestörten Leitung erfolgen. Die Amplitude des reflektierten Impulses ist sehr niedrig, und die Breite ist doppelt so lang, weil das Übersprechen am Ende der Spur zurück zum Quellende der Spur gesendet werden muss. Bei der Messung des Gegenübersprechens ist das Übersprechen, das durch den schnellen Kantenstörungsimpuls erzeugt wird, etwa?? mV, das entspricht 4% der Amplitude des Störimpulses. Die Größe des umgekehrten Übersprechens hat nichts mit der Anstiegszeit des Störimpulses zu tun. Die folgenden zwei Wellenformen sind das Übersprechen, das durch den langsamen Kantenimpuls erzeugt wird und das Übersprechen, das durch den schnellen Kantenimpuls nach dem Filtern erzeugt wird. Ihre Amplituden sind beide 6,5 mV. Der Unterschied zwischen der Länge der Spur und der Anstiegszeit des Störimpulses macht die umgekehrte Übersprachamplitude, die durch den langsamen Randimpuls erzeugt wird, kleiner.

Da die Anstiegszeit des Störimpulses zu diesem Zeitpunkt länger als die Linienlänge der Leiterbahn ist, hat die Impulskante den Höhepunkt der Amplitude nicht erreicht, wenn sie zurück zum Quellende der Leiterbahn entlang der Leiterbahnrichtung gesendet wird. Abbildung 11 zeigt die Übersprechen-Messergebnisse, die erzielt werden, wenn ein 200-ps-Anstiegszeitgenerator (DG2040) und der Ausgang des 80E04-Abtastmoduls 17-ps-Generators als Störimpulse verwendet werden. Die drei in der Abbildung gezeigten Übersprecherwellenformen verwenden alle eine Spannungsskala von 5 mV/div.

Unter ihnen ist die weiße Wellenform das Ergebnis des Übersprechens, das durch den Interferenzpuls mit einer Anstiegszeit von 17 ps erzeugt wird, nachdem er gefiltert wurde (Nachfilterung) zu einer Anstiegszeit von 200 ps. Diese Messungen haben bestätigt, dass, wenn die Anstiegszeit des Interferenzpulses nicht die Länge der Spur überschreitet, die Anstiegszeit den umgekehrten Übersprechen nicht beeinflusst. Und wenn die Anstiegszeit des Störimpulses die Länge der Spur überschreitet, ist die erzeugte umgekehrte Übersprachamplitude kleiner, weil in diesem Fall die Pulskante die Spitzenamplitude nicht erreichen kann, auch wenn die Impulskante die gesamte Spur durchläuft.