Leiterplattentechnisch - Hochgeschwindigkeits-PCB-Übersprechenanalyse und ihre Minimierung

1 Einleitung

Mit zunehmender Komplexität und Leistung elektronischer Produkte, die density of printed Schaltung Brett s und the frequency of related devices are constantly increasing. Die Aufrechterhaltung und Verbesserung der Geschwindigkeit und Leistung des Systems ist zu einem wichtigen Diema für Designer. Die Signalfrequenz wird höher, die Kanten werden steiler, Größe der Leiterplatte Brett wird kleiner, und die Verdrahtungsdichte steigt, etc., die den Einfluss von Übersprechen in High-Speed PCB Design. Das Problem des Übersprechens besteht objektiv, Das Überschreiten einer bestimmten Grenze kann jedoch zu einer falschen Auslösung des Stromkreises führen und dazu führen, dass das System nicht normal funktioniert. The DesignEr muss den Mechanismus des Übersprechens verstehen und geeignete Methoden in der Design um die negativen Auswirkungen von Übersprechen zu minimieren.

2. Die Erzeugung und der sich ändernde Trend des Hochfrequenz-digitalen Signalübersprechens

Übersprechen bezieht sich auf das unerwünschte Rauschspannungssignal, das durch die gegenseitige Kopplung elektromagnetischer Felder zwischen benachbarten Signalen erzeugt wird, wenn sich das Signal auf der Übertragungsleitung ausbreitet, das heißt, die Energie wird von einer Leitung zur anderen gekoppelt.

Wie in Abbildung 1 gezeigt, beschreiben wir zur Vereinfachung der Analyse das Übersprechenmodell zweier benachbarter Übertragungsleitungen nach dem diskreten Äquivalentmodell. Die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitungen AB und CD ist Z0, und der Anschlussübereinstimmungswiderstand R=Z0. Wenn die treibende Quelle an Punkt A die Störquelle ist, wird das Drahtnetz zwischen A und B die Aggressorleitung genannt, und das Drahtnetz zwischen C und D wird die Opfer-Leitung genannt, die gestört wird. Das Übersprechen nahe dem treibenden Ende des Störquellennetzwerks wird Nah-End-Übersprechen (auch Rückwärtsübersprechen genannt) genannt, und das Übersprechen nahe dem Empfangsende des Störquellennetzwerks wird Fernübersprechen (auch Vorwärtsübersprechen genannt). Übersprechen entsteht hauptsächlich aus der gegenseitigen Induktivität Lm und der gegenseitigen Kapazität Cm, die zwischen zwei benachbarten Leitern gebildet werden.

2.1 Induktive Kupplung

Betrachten Sie in Abbildung 1 zunächst nur die induktive Kopplung, die durch die gegenseitige Induktivität Lm verursacht wird. Das Magnetfeld des Signals, das auf der Leitung A nach B übertragen wird, induziert eine Spannung auf der Leitung C nach D. Die Magnetkupplung wirkt wie ein Transformator. Da es sich um eine verteilte Übertragungsleitung handelt, wird die gegenseitige Induktivität auch zu einer Reihe von Transformatoren, die in zwei benachbarten Parallelübertragungsleitungen verteilt sind. Wenn sich ein Spannungsschrittsignal von A nach B bewegt, wird jeder Transformator, der auf der Interferenzleitung verteilt ist, nacheinander einen Interferenzspitzen induzieren, um im interferenten Netzwerk zu erscheinen. Das Spannungsrauschen, das durch die gegenseitige Induktivität auf das gestörte Netzwerk überlagert wird, ist proportional zur Änderung des Antriebsstroms auf dem gestörten Netzwerk. Die Berechnungsformel für das durch gegenseitige Induktivität erzeugte Rauschen ist

Es ist erwähnenswert, dass die Polarität der gegenseitigen Induktionskupplung jedes Abschnitts des Kupplungstransformators unterschiedlich ist. Die Störenergie, die in das gestörte Netzwerk induziert wird, ist vorwärts und rückwärts in Folge, aber die Polarität ist entgegengesetzt, geht zu C und C bzw. entlang der Übertragungsleitung CD. Gehen Sie zu Punkt D.

Wie in Abbildung 2 gezeigt, ist die Vorwärtsstörungsenergie in Richtung C proportional zur einfallenden Spannung und jeder gegenseitigen Induktivitätskomponente Lm. Da die gesamte Vorwärtsstörungsenergie Punkt C fast gleichzeitig erreicht, erreicht die Vorwärtsstörungsenergie und die gegenseitige Induktivität der beiden Übertragungsleitungen Die Gesamtmenge ist proportional, je länger die Parallellänge der Übertragungsleitung, desto größer die Gesamtmenge der erzeugten gegenseitigen Induktivität, und die Vorwärtsstörungsenergie nimmt auch zu; Jedoch unterscheidet sich die rückwärts gerichtete Störenergie in Richtung Punkt D von der vorwärts gerichteten Störenergie in Richtung Punkt C Ja, obwohl die Gesamtkopplungsfläche der beiden gleich ist, erreicht die Störkomponente, die durch jeden gegenseitigen Induktivitätstransformator induziert wird, D in Folge, und die effektive Zeit der rückwärts gerichteten Störenergie ist so lang wie 2Tp (Tp ist die Ausbreitungsverzögerung). Mit der Verlängerung der Parallellänge (d.h. der Zunahme der gegenseitigen Induktivität) ändert sich die Größe des Rückspraches nicht, aber die Dauer nimmt zu.

2.2 Kapazitive Kopplung

Gegenseitige Kapazität ist ein weiterer Mechanismus, der Übersprechen erzeugt. Gegenseitige Kapazität Cm erzeugt einen induzierten Strom im gestörten Netzwerk. Dieser Strom ist proportional zur Änderungsrate der Spannung am Störnetz. Die Rauschberechnungsformel, die durch gegenseitige Kapazität Cm erzeugt wird, lautet:

Der Kopplungsmechanismus des verteilten Kopplungskondensators ist dem der verteilten induktiven Kopplung ähnlich, der Unterschied liegt in der Polarität der Kopplung. Wie in Abbildung 3 gezeigt, sind die Polaritäten der Vorwärts- und Rückwärtsstörungsenergie der gegenseitigen kapazitiven Kopplung beide positiv.

2.3 Der kombinierte Effekt der gegenseitigen Induktivität und der gegenseitigen Kapazität

Im Allgemeinen treten kapazitives Übersprechen und induktives Übersprechen gleichzeitig auf. Aus der Literatur [1] können wir die Berechnungsformeln für das Gesamtübersprechen des Nah- bzw. Fernends erhalten, die jeweils durch kapazitive Kopplung bzw. induktive Kopplung überlagert werden.

Das Gesamtgeräusch von Nah-End Übersprechen ist:

Das gesamte Übersprechergeräusch beträgt:

Unter ihnen sind Z0, C, l, Cm, Lm, L und V0 die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung, die Kapazität pro Einheitslänge, die Induktivität pro Einheitslänge, die Kopplungskapazität und die Kopplungsinduktivität zwischen den beiden Übertragungsleitungen, die Parallellänge der beiden Übertragungsleitungen und der Spannungsspitzenwert.

Aus den oben genannten beiden Formeln können wir sehen, dass das Gesamtrauschen des Fernübersprechens aufgrund der Polaritätsbeziehung von kapazitiver und induktiver Kopplung gegenseitig subtrahiert wird, das heißt, Fernübersprechen kann eliminiert werden. Im PCB-Layout kann Stripline-Schaltung ein gutes Gleichgewicht zwischen induktiver und kapazitiver Kopplung zeigen, und seine Vorwärtskopplungsenergie ist sehr klein; Für Mikrostreifenleitung (Microstfip) ist das elektrische Feld im Zusammenhang mit Übersprechen groß Ein Teil des Durchgangs ist Luft, nicht andere Isoliermaterialien, so dass das kapazitive Übersprechen kleiner als das induktive Übersprechen ist, was zu einer kleinen negativen Zahl für die Vorwärtskupplung führt. Dies ist der Grund, warum die Störung des Fernübersprechens im üblichen Design oft ignoriert wird und die Verbesserung des Nahübersprechens betont wird.

In der Design, die relevanten Parameter der PCB (such as thickness, dielektrische Konstante, etc.), sowie Linienlänge, Linienbreite, Zeilenabstand, Position der Übertragungsleitung und der Bodenebene, und die aktuelle Strömungsrichtung beeinflusst c, l, Cm, Lm, L, Die Größe wird durch die Signalfrequenz und den Anstieg bestimmt/Fallzeit des Gerätes.

Hier werden wir keine quantitative Analyse des Einflusses dieser Parameter auf das Übersprechen durchführen. Die Beziehung zwischen diesen Parametern und dem Grad des Einflusses auf das Übersprechen entnehmen Sie bitte anderen relevanten Referenzen.

2.4 Der sich verändernde Trend des Übersprechens

Die Größe der gegenseitigen Induktivität und der gegenseitigen Kapazität beeinflusst die Größe des Übersprechens und ändert dadurch äquivalent die charakteristische Impedanz und die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Übertragungsleitung. Ebenso beeinflusst die Geometrie der Übertragungsleitung weitgehend die Änderungen der gegenseitigen Induktivität und der gegenseitigen Kapazität, so dass die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung selbst auch Auswirkungen auf diese Parameter hat. Im gleichen Medium ist die Kopplung zwischen einer relativ niederohmigen Übertragungsleitung und der Bezugsebene (Erdungsebene) stärker, und die Kopplung zwischen der relativ niederohmigen Übertragungsleitung und der benachbarten Übertragungsleitung wird schwächer sein, so dass die niederohmige Übertragungsleitung eine kleinere Impedanzänderung aufweist, die durch Übersprechen verursacht wird.

3 Mehrere Effekte verursacht durch Übersprechen

Im Hochgeschwindigkeitsbereich, hohe Dichte PCB-Design, eine komplette Bodenebene ist in der Regel vorgesehen, so dass jede Signalleitung grundsätzlich nur mit ihrer nächsten Signalleitung interagiert, und die Kreuzkupplung von anderen entfernten Signalleitungen ist vernachlässigbar. Trotzdem, in einem analogen System, when high-power signals pass through low-level input signals or when components with higher signal voltages (such as TTL) are close to components with lower signal voltages (such as ECL), sehr hohe Beständigkeit ist erforderlich. Übersprechen. In PCB-Design, wenn nicht korrekt gehandhabt, Übersprechen hat die folgenden zwei typischen Auswirkungen auf die Signalintegrität von Hochgeschwindigkeits- PCBs.

3.1 Falsche Auslösung durch Übersprechen

Signal Übersprechen ist ein wichtiger Teil der Signalintegritätsprobleme, denen HochgeschwindigkeitsDesign gegenübersteht. Der Funktionsfehler digitaler Schaltungen durch Übersprechen ist der häufigste.

Abbildung 4 ist eine typische Übertragung von Fehlerlogik in benachbarten Netzwerken, die durch Übersprechenimpulse verursacht wird. Das Signal, das auf dem Störquellennetz übertragen wird, geht durch den Kopplungskondensator und verursacht einen Rauschimpuls auf dem gestörten Netzwerk und dem Empfangsende, was dazu führt, dass ein unerwünschter Impuls an das Empfangsende gesendet wird. Überschreitet die Intensität dieses Impulses den Trigger-Wert des Empfangsenden, wird ein unkontrollierbarer Trigger-Impuls erzeugt, der Verwirrung in der Logikfunktion des Next-Level-Netzwerks verursacht.

3.2 Zeitverzögerung verursacht durch Übersprechen

Im digitalen Design ist das Timing-Thema ein wichtiger Aspekt. Abbildung 5 zeigt die Timing-Probleme, die durch Übersprechen verursacht werden. Der untere Teil der Abbildung ist die zwei Arten von Rauschimpulsen, die durch das Interferenzquellennetzwerk erzeugt werden (Hilfreiche Abbildung 5 Delay Glitch und Unhilfreiche Glitch verursacht durch Übersprechen Rauschen). Wenn der Rauschimpuls (hilfreicher Glitch) auf das gestörte Netzwerk überlagert wird, verursacht dies die Störnetzwerkssignalübertragung. Die Verzögerung wird verringert; Ähnlich erhöht sich die Verzögerung des normalen Übertragungssignals des gestörten Netzwerks, wenn der Rauschimpuls (Unhelpful glitch) auf das gestörte Netzwerk überlagert wird. Obwohl diese Art von Übersprecherauschen, das die Netzwerkübertragungsverzögerung reduziert, hilfreich ist, um das PCB-Timing zu verbessern, ist diese Verzögerung im tatsächlichen PCB-Design aufgrund der Unsicherheit des Störquellennetzwerks unkontrollierbar, daher muss diese Art von Übersprechen unterdrückt werden.

4. Übersprechen minimieren

Übersprechen ist allgegenwärtig in Hochgeschwindigkeits- und hohe Dichte PCB-Design, und die Auswirkungen von Übersprechen auf das System sind generell negativ. Um Übersprechen zu reduzieren, Die einfachste Sache ist, die Kopplung zwischen dem Störquellennetz und dem Störnetzwerk so klein wie möglich zu machen. Es ist unmöglich, Übersprechen in hohe Dichte und komplex PCB-Design. Allerdings, im System Design, the DesignEr sollte eine geeignete Methode wählen, um Übersprechen zu minimieren, ohne die andere Leistung des Systems zu beeinträchtigen. In Kombination mit der obigen Analyse, Die Lösung des Übersprecheproblems wird hauptsächlich aus folgenden Aspekten betrachtet:

Wenn die Verdrahtungsbedingungen es zulassen, erhöhen Sie den Abstand zwischen den Übertragungsleitungen so weit wie möglich; oder die Parallellänge zwischen benachbarten Übertragungsleitungen so weit wie möglich reduzieren (kumulative Parallellänge), und es ist am besten, die Leitungen zwischen verschiedenen Schichten zu routen.

Die Signalschicht (ohne planare Schichtisolierung) der benachbarten beiden Schichten sollte senkrecht zur Routingrichtung stehen und versuchen, paralleles Routing zu vermeiden, um Übersprechen zwischen den Schichten zu reduzieren.

Im Falle der Sicherstellung der Signaltimierung versuchen Sie, Geräte mit niedriger Umwandlungsgeschwindigkeit so weit wie möglich zu wählen, um die Änderungsrate des elektrischen Feldes und des Magnetfeldes zu verlangsamen und dadurch Übersprechen zu reduzieren.

Bei der Auslegung des Stapels sollte unter der Bedingung der Erfüllung der charakteristischen Impedanz die dielektrische Schicht zwischen der Verdrahtungsschicht und der Bezugsebene (Leistungs- oder Masseebene) so dünn wie möglich gemacht werden, wodurch die Kopplung zwischen der Übertragungsleitung und der Bezugsebene erhöht und benachbarte Kopplung von Übertragungsleitungen reduziert wird.

Da die Oberflächenschicht nur eine Bezugsebene hat, ist die elektrische Feldkopplung der Oberflächenschichtverdrahtung stärker als die der mittleren Schicht, so dass Signalleitungen, die empfindlicher auf Übersprechen reagieren, so weit wie möglich in der inneren Schicht platziert werden sollten.

Durch Beendigung kann die Impedanz der Fern- und Nah-End-Klemmen der Übertragungsleitung mit der der Übertragungsleitung übereinstimmen, was die Amplitude des Übersprechens erheblich verringern kann.

5. Schlussbemerkungen

Digitales System Design hat eine neue Stufe betreten. Many high-speed Design Probleme, die früher von untergeordneter Bedeutung waren, haben jetzt entscheidende Auswirkungen auf die Systemleistung. Probleme mit der Signalintegrität einschließlich Übersprechen haben Veränderungen in der Design Konzepte, Design Prozesse, and Design Methoden. Angesichts neuer Herausforderungen, Das Wichtigste für Übersprechergeräusche ist, diejenigen Netzwerke herauszufinden, die einen echten Einfluss auf den normalen Betrieb des Systems haben, anstatt Übersprecherauschen in allen Netzwerken blind zu unterdrücken. Dies entspricht auch den begrenzten Verdrahtungsressourcen. widersprüchlich. Das in diesem Artikel diskutierte Übersprechen ist von großer Bedeutung für die Lösung des Übersprechenproblems in Hochgeschwindigkeits- und hohe Dichte SchaltungsDesign.