Leiterplattentechnisch - Kontrolliert PCB Design das Übersprechen digitaler Systeme?

1. Was ist die Ursache für Übersprechen?

Wenn sich ein Signal entlang der Leiterplattenverdrahtung, Seine elektromagnetischen Wellen breiten sich auch entlang der Verkabelung aus, von einem Ende des integrierten Schaltungschips zum anderen Ende der Leitung. Im Prozess der Vermehrung, Elektromagnetische Wellen verursachen transiente Spannungen und Ströme durch elektromagnetische Induktion.

Elektromagnetische Wellen umfassen elektrische und magnetische Felder, die sich im Laufe der Zeit ändern. In der Leiterplatte ist das elektromagnetische Feld in der Tat nicht auf verschiedene Verdrahtungen beschränkt, ein beträchtlicher Teil der elektromagnetischen Feldenergie existiert außerhalb der Verdrahtung. Wenn sich also andere Leitungen in der Nähe befinden und das Signal entlang eines Drahtes ausbreitet, wirken sich seine elektrischen und magnetischen Felder auf andere Leitungen aus. Nach Maxwells Gleichung führen zeitverändernde Elektrizität und Magnetfelder dazu, dass benachbarte Leiter Spannungen und Ströme erzeugen. Daher führt das elektromagnetische Feld, das den Signalausbreitungsprozess begleitet, dazu, dass benachbarte Leitungen Signale erzeugen, was zu Übersprechen führt.

2. Kapazitätsmerkmale des Vorwärtsübersprechens

Vorwärts Übersprechen manifestiert sich als zwei miteinander verbundene Eigenschaften: kapazitiv und wahrnehmbar. Wenn das "Invasionssignal" voranschreitet, wird im "Opfer" ein Spannungssignal mit derselben Phase erzeugt. Dieses Signal hat die gleiche Geschwindigkeit wie das "Invasion"-Signal, aber es ist immer vor dem "Invasion"-Signal. Das bedeutet, dass sich das Übersprechersignal nicht im Voraus ausbreitet, sondern mit mehr Energie bei gleicher Geschwindigkeit wie das Eindringlingssignal gekoppelt wird.

Da die Änderung des "Intrusion"-Signals das Übersprechersignal verursacht, ist der Vorwärtsübersprecheimpuls nicht unipolar, sondern hat sowohl positive als auch negative Polaritäten. Die Pulsdauer entspricht der Schaltzeit des "Intrusion"-Signals.

Die Kopplungskapazität zwischen den Drähten bestimmt die Amplitude des Vorwärtsübersprechenimpulses, und die Kopplungskapazität wird durch viele Faktoren bestimmt, wie das Material der Leiterplatte, die geometrische Größe, die Position der Linienkreuzung usw. Die Amplitude ist proportional zum Abstand zwischen parallelen Linien: je länger der Abstand, desto größer der Übersprechenimpuls. Die Übersprecheimpulsamplitude hat jedoch eine obere Grenze, da das "Eindringlingssignal" allmählich Energie verliert und das "Opfer" wiederum an den "Eindringling" koppelt.

Induktionseigenschaften des Vorwärtsübersprechens

Wenn sich das Intrusionssignal ausbreitet, erzeugt sein zeitveränderndes Magnetfeld auch Übersprechen: Vorwärtsübersprechen mit induktiven Eigenschaften. Aber wahrnehmbares Übersprechen und kapazitives Übersprechen unterscheiden sich offensichtlich: Die Polarität des Vorwärts-Wahrnehmungsübersprechens ist der des Vorwärts-Kapazitiven Übersprechens entgegengesetzt. Denn in der Vorwärtsrichtung konkurrieren kapazitive und wahrnehmbare Teile des Übersprechens und heben sich gegenseitig auf. In der Tat, wenn der Vorwärts-kapazitive und der Wahrnehmungs-Übersprechen gleich sind, gibt es kein Vorwärts-Übersprechen.

In vielen Geräten ist das Vorwärts-Übersprechen recht klein, und das Rückwärts-Übersprechen wird zu einem großen Problem, insbesondere für Langstreifen-Leiterplatten, weil die kapazitive Kopplung verbessert wird. Ohne Simulation ist es jedoch praktisch unmöglich zu wissen, inwieweit perzeptives und kapazitives Übersprechen aufheben.

Wenn Sie Vorwärtsübersprechen gemessen haben, Sie können anhand ihrer Polarität bestimmen, ob Ihre Leiterbahn kapazitiv oder induktiv gekoppelt ist. Wenn die Polarität des Übersprechens die gleiche ist wie das "Intrusion"-Signal, Die kapazitive Kopplung wird dominieren, sonst, induktive Kopplung dominiert. In Leiterplatte, die induktive Kupplung ist in der Regel stärker.

Die physikalische Theorie des rückwärtigen Übersprechens ist die gleiche wie die des Vorwärtsübersprechens: Die zeitlich variierenden elektrischen und magnetischen Felder des "Intrusionssignals" verursachen beim "Opfer" wahrnehmungs- und kapazitive Signale. Aber es gibt auch Unterschiede zwischen den beiden.

Der größte Unterschied ist die Dauer des Rücksprachsignals. Da die Ausbreitungsrichtung und Geschwindigkeit von Vorwärtsübersprechen und "Einbruch"-Signalen gleich sind, ist die Dauer des Vorwärtsübersprechens die gleiche wie die von "Einbruch"-Signalen. Rückwärtsübersprechen und das "Eindringlingssignal" breiten sich jedoch in die entgegengesetzte Richtung aus, es bleibt hinter dem "Invasionssignal" zurück und verursacht einen langen Zug von Impulsen.

Im Gegensatz zum Vorwärts-Übersprechen hat die Amplitude des rückwärts-Übersprechenimpulses nichts mit der Leitungslänge zu tun, und seine Pulsdauer ist die doppelte Verzögerungszeit des "Intrusion"-Signals. Warum? Nehmen wir an, Sie beobachten rückwärts Übersprechen vom Startpunkt des Signals. Wenn das "Intrusion"-Signal weit vom Startpunkt entfernt ist, erzeugt es immer noch Rückwärtsimpulse, bis ein weiteres verzögertes Signal erscheint. Auf diese Weise entspricht die gesamte Dauer des Rücksprachimpulses der doppelten Verzögerungszeit des "Intrusion"-Signals.

3. Die Reflexion des Rückspraches

Möglicherweise interessieren Sie sich nicht für die Übersprechen zwischen dem Treiber-Chip und dem Empfängerchip. Aber warum sollten Sie sich um Rückwärtsimpulse kümmern? Da der Treiberchip im Allgemeinen niederohmig ist, reflektiert er mehr Übersprechersignale als er absorbiert. Wenn das rückwärtige Übersprechersignal den Treiberchip des "Opfers" erreicht, wird es auf den Empfangschip reflektiert. Da der Ausgangswiderstand des Treiberchips im Allgemeinen niedriger ist als der Draht selbst, verursacht er oft die Reflexion des Übersprechersignals.

Im Gegensatz zum Vorwärts-Übersprechensignal, das zwei Eigenschaften hat: induktiv und kapazitiv, hat das Rückwärts-Übersprechensignal nur eine Polarität, so dass das Rückwärts-Übersprechensignal sich nicht selbst abbrechen kann. Die Polarität des rückwärtigen Übersprechersignals und des Übersprechersignals nach Reflexion ist die gleiche wie das "Eindringlingssignal", und seine Amplitude ist die Summe der beiden Teile.

Denken Sie daran, wenn Sie den Rücksprachimpuls am Empfangsende des "Opfers" messen, wurde dieses Übersprechensignal bereits vom Antriebschip des "Opfers" reflektiert. Man kann beobachten, dass die Polarität des rückwärtigen Übersprechersignals dem "Intrusion"-Signal entgegengesetzt ist.

Im digitalen Design kümmern Sie sich oft um einige quantitative Indikatoren. Zum Beispiel, egal wie und wann Übersprechen erzeugt wird, vorwärts oder rückwärts, seine maximale Rauschtoleranz beträgt 150mV. Gibt es also eine einfache Möglichkeit, Rauschen genau zu messen? Die einfache Antwort ist "nein", weil der elektromagnetische Feldeffekt zu kompliziert ist und eine Reihe von Gleichungen, die Topologie der Leiterplatte, die analogen Eigenschaften des Chips usw. umfasst.

4. Absage von Gesprächen

Eine Methode besteht darin, einen oder mehrere geometrische Parameter zu ändern, die die Kopplung beeinflussen, wie Leitungslänge, Abstand zwischen Leitungen und die geschichtete Position der Leiterplatte. Eine andere Methode besteht darin, mit dem Terminal die Einzelleitung in eine mehrkanalige gekoppelte Leitung umzuwandeln. Mit einem vernünftigen Design kann das mehrzeilige Terminal den Großteil des Übersprechens abbrechen.

5. Linienlänge

Viele Designer glauben, dass die Verkürzung der Linienlänge der Schlüssel zur Verringerung des Übersprechens ist. Tatsächlich bietet fast jede Schaltungsdesign-Software die maximale parallele Leitungslänge Steuerfunktion. Leider ist es schwierig, Übersprechen nur durch Änderung des geometrischen Wertes zu reduzieren.

Da das Vorwärtsübersprechen von der Kupplungslänge beeinflusst wird, gibt es beim Kürzen der Länge der Linie, die keine Kopplungsbeziehung hat, fast keine Verminderung des Übersprechens. Übersteigt die Kupplungslänge außerdem die Drop- oder Anstiegszeit des Treiberchips, erreicht die lineare Beziehung zwischen der Kupplungslänge und dem Vorwärtsübersprechen einen Sättigungswert. Die Verkürzung der ohnehin schon langen Kupplungslinie wirkt sich derzeit kaum auf die Reduzierung des Übersprechens aus.

6. Schwierigkeit der Isolation

Es ist nicht einfach, den Abstand zwischen den gekoppelten Leitungen zu vergrößern. Wenn Ihre Verkabelung sehr dicht ist, müssen Sie viel Aufwand aufwenden, um die Verkabelungsdichte zu reduzieren. Wenn Sie sich Sorgen über Übersprechen machen, können Sie eine oder zwei Isolationsschichten hinzufügen. Wenn Sie den Abstand zwischen Leitungen oder Netzwerken erweitern müssen, dann sollten Sie besser eine Software haben, die einfach zu bedienen ist. Die Breite und Dicke der Schaltung beeinflussen auch die Übersprecherstörung, aber ihr Einfluss ist viel kleiner als der Abstandsfaktor der Schaltung. Daher werden diese beiden Parameter in der Regel selten angepasst.

Die Dicke des dielektrischen Materials wirkt sich auf die Übersprechstörung über eine große Länge aus. Im Allgemeinen kann die Verdrahtungsschicht nahe an der Leistungsschicht (Vcc oder Masse) Übersprechestörungen reduzieren. Der genaue Wert des Verbesserungseffekts muss durch Simulation ermittelt werden.

7. Stratifizierungsfaktoren

Einige PCB-Designer Achten Sie immer noch nicht auf die Schichtmethode, was ein großer Fehler im Hochgeschwindigkeits-Schaltungsdesign ist. Schichtung beeinflusst nicht nur die Leistung der Übertragungsleitung, wie Impedanz, Verzögerung und Kupplung, aber auch der Schaltungsbetrieb ist anfällig für Fehlfunktionen oder sogar Änderungen. Zum Beispiel, Es ist unmöglich, Übersprachstörungen durch Verringerung der dielektrischen Dicke von 5mil zu reduzieren, obwohl es in Bezug auf Kosten und Prozess getan werden kann.

8. Tödliche Waffen

Leider ist ein solches Terminal teuer und ideal nicht zu erreichen, da die Kopplungsimpedanz zwischen einigen Übertragungsleitungen zu klein ist, wodurch ein großer Strom in den Treiberchip fließt. Die Impedanz zwischen Übertragungsleitung und Masse kann nicht zu groß sein, um den Chip anzutreiben. Wenn diese Probleme auftreten und Sie planen, diese Art von Klemmen zu verwenden, versuchen Sie, ein paar AC-Kopplungskondensatoren hinzuzufügen.

Obwohl es einige Schwierigkeiten bei der Implementierung gibt, ist das Impedanz-Array-Terminal immer noch eine tödliche Waffe, um Signalreflexion und Übersprechen zu bewältigen, insbesondere für raue Bedingungen. In anderen Umgebungen kann es funktionieren oder nicht, aber es ist immer noch eine empfohlene Methode.