Leiterplattentechnisch - Vier der High-Speed PCB Design Guidelines: Crosstalk Control von High-Speed Digital Systemen

Inhalt: In Hochfrequenzschaltungen,Übersprechen die am schwierigsten zu verstehen und vorherzusagen sind, aber es kann kontrolliert oder sogar eliminiert werden.

Mit zunehmender Schaltgeschwindigkeit sind moderne digitale Systeme auf eine Reihe von Problemen gestoßen, wie Signalreflexion, verzögertes Fading, Übersprechen und Störungen der elektromagnetischen Verträglichkeit. Wenn die Schaltzeit der integrierten Schaltung auf 5 Nanosekunden oder 4 Nanosekunden oder weniger sinkt, beginnen die inhärenten Eigenschaften der Leiterplatte selbst zu erscheinen. Leider sind diese Eigenschaften schädlich und sollten während des Designprozesses so weit wie möglich vermieden werden. In Hochfrequenzschaltungen ist Übersprechen am schwierigsten zu verstehen und vorherzusagen, kann aber kontrolliert oder sogar eliminiert werden.

1. Was verursacht Übersprechen?

Wenn sich das Signal entlang der Verdrahtung der Leiterplatte ausbreitet, breitet sich seine elektromagnetische Welle auch entlang der Verdrahtung aus, von einem Ende des integrierten Schaltungschips zum anderen Ende der Leitung. Während der Ausbreitung verursachen elektromagnetische Wellen durch elektromagnetische Induktion transiente Spannungen und Ströme.

Elektromagnetische Wellen umfassen elektrische und magnetische Felder, die sich im Laufe der Zeit ändern. In die printed circuit Brett, in der Tat, Das elektromagnetische Feld ist nicht auf verschiedene Verdrahtungen beschränkt, Ein beträchtlicher Teil der elektromagnetischen Feldenergie liegt außerhalb der Verkabelung. Daher, wenn es andere Linien in der Nähe gibt, wenn sich das Signal entlang eines Drahtes ausbreitet, seine elektrischen und magnetischen Felder beeinflussen andere Leitungen. Nach Maxwells Gleichung, Zeitabhängige Elektrizität und Magnetfelder führen dazu, dass benachbarte Leiter Spannungen und Ströme erzeugen. Daher, Das elektromagnetische Feld, das den Signalausbreitungsprozess begleitet, bewirkt, dass benachbarte Leitungen Signale erzeugen, die zu Übersprechen.

Bei Leiterplatten werden die Leitungen, die Übersprechen verursachen, oft als "Eindringlinge" bezeichnet. Die Leitung, die Übersprechen Interferenzen ausgesetzt ist, wird normalerweise als "Opfer" bezeichnet. Das ÜbersprechenSignal in jedem "Opfer" kann in VorwärtsübersprechenSignal und RückwärtsübersprechenSignal unterteilt werden, diese beiden Signale werden teilweise durch kapazitive Kopplung und induktive Kopplung verursacht. Die mathematische Beschreibung des ÜbersprecherSignals ist sehr kompliziert, aber wie ein Hochgeschwindigkeitsboot auf dem See können einige quantitative Eigenschaften der Vor- und Rückwärts-ÜbersprecherSignale immer noch von Menschen verstanden werden.

Hochgeschwindigkeitsboote haben zwei Auswirkungen auf das Wasser. Zuerst regt das Schnellboot Wellen am Bug an, und die bogenförmigen Wellen scheinen sich mit dem Schnellboot vorwärts zu bewegen; Zweitens, wenn das Schnellboot für einen bestimmten Zeitraum fährt, wird es lange Wasserwege hinter sich lassen.

Dies ist der Reaktion des "Opfers" sehr ähnlich, wenn das Signal durch den "Eindringling" geht. Es gibt zwei Arten von Übersprechersignalen im "Opfer": das Vorwärtssignal vor dem Eindringsignal, wie das Wasser und Wellen am Bug des Schiffes; Das Rückwärtssignal, das sich hinter dem Einbruchsignal befindet, wie der Wasserweg im See, nachdem das Schiff weggesegelt ist.

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 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 VorwärtsübersprachimPulss, 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, Je größer der Übersprecheimpuls. Es gibt jedoch eine obere Grenze für die Amplitude des ÜbersprecheimPulss, da das "Eindringlingssignal" allmählich Energie verliert und das "Opfer" wiederum mit dem "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, können Sie anhand ihrer Polarität feststellen, ob Ihre Leiterbahn kapazitiv gekoppelt oder induktiv gekoppelt ist. Wenn die Übersprecherpolarität mit dem "Intrusionssignal" identisch ist, dominiert die kapazitive Kopplung, ansonsten dominiert die induktive Kopplung. Bei Leiterplatten ist die induktive Kopplung in der Regel stärker.

Die physikalische Dieorie 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 ImPulsn.

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. Linienlänge

Viele Designer glauben, dass die Verkürzung der Linienlänge der Schlüssel zur Verringerung des Übersprechens ist. Tatsächlich bietet fast jede Schaltungsdesign-Alsoftware 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.

Eine vernünftige Methode besteht darin, den Abstand zwischen den gekoppelten Leitungen zu erweitern. In fast allen Fällen kann das Trennen der gekoppelten Leitungen die Übersprecherinterferenzen erheblich reduzieren. Die Praxis hat bewiesen, dass die Rückwärts-Übersprechen-Amplitude ungefähr umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes zwischen den gekoppelten Linien ist, das heißt, wenn Sie den Abstand verdoppeln, wird das Übersprechen um drei Viertel reduziert. Dieser Effekt ist stärker ausgeprägt, wenn rückwärts Übersprechen dominant ist.

5. Streichung von Übersprechen

Aus praktischer Sicht ist die wichtigste Frage, wie Übersprechen beseitigt werden kann. Was sollten Sie tun, wenn Übersprechen die Schaltungseigenschaften beeinflusst?

Sie können die folgenden zwei Strategien anwenden. 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.

6. Schwierigkeit der Isolation

Es ist nicht einfach, den Abstand zwischen den gekoppelten Leitungen zu vergrößern. Wenn Ihre Verkabelung sehr dicht ist, Sie müssen viel Aufwand aufwenden, um die Verdrahtungsdichte zu reduzieren. If you are worried über Übersprechen Interferenz, Sie können eine oder zwei Isolationsebenen hinzufügen. If you have to expand the Abstand zwischen Linien or networks, then you'd better have a software das ist easy to operate. Die Breite und Dicke der Schaltung beeinflussen auch die Übersprechen Interferenz, aber its influence is much smaller than the distance factor of the circuit. Daher, Diese beiden Parameter werden im Allgemeinen selten angepasst.

Da das Isoliermaterial der Leiterplatte eine dielektrische Konstante hat, erzeugt es auch Kopplungskapazität zwischen den Leitungen, so dass die Verringerung der dielektrischen Konstante auch Übersprechestörungen reduzieren kann. Dieser Effekt ist nicht sehr offensichtlich, besonders der Mikrostreifenkreis Teil des Dielektrikums ist bereits Luft. Noch wichtiger ist, dass das Ändern der Dielektrizitätskonstante nicht so einfach ist, insbesondere in teuren Geräten. Ein Workaround besteht darin, teurere Materialien anstelle von FR-4 zu verwenden.

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

Some printed circuit Brett 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 zu reduzieren Übersprechen Interferenz by reducing the dielectric thickness of 5mil, obwohl es in Bezug auf Kosten und Prozess getan werden kann.

Ein weiterer Faktor, der leicht zu übersehen ist, ist die Wahl der Schichten. In vielen Fällen ist das Vorwärtsübersprechen die Hauptübersprechstörung in Mikrostreifenschaltungen. Wenn der Entwurf jedoch vernünftig ist, befindet sich die Verdrahtungsschicht zwischen den beiden Leistungsschichten, so dass kapazitive Kopplung und induktive Kopplung gut ausbalanciert sind und rückwärts Übersprechen mit einer geringeren Amplitude der Hauptfaktor wird. Daher müssen Sie darauf achten, welche Art von Übersprechen während der Simulation dominiert.

Die Positionsbeziehung zwischen Verdrahtung und Chip wirkt sich auch auf Übersprechen aus. Da das Rückwärtsübersprechen den Empfangschip erreicht und auf den Treiberchip reflektiert wird, sind Standort und Leistung des Treiberchips sehr wichtig. Aufgrund der Komplexität der Topologie, Reflexionen und anderer Faktoren ist es schwierig zu erklären, wer hauptsächlich von Übersprechen betroffen ist. Wenn es mehrere topologische Strukturen zur Auswahl gibt, ist es am besten, mithilfe der Simulation zu bestimmen, welche Struktur den geringsten Einfluss auf Übersprechen hat.

Ein nicht-geometrischer Faktor, der Übersprechen reduzieren kann, sind die technischen Indikatoren des Treiberchips selbst. Das allgemeine Prinzip ist, einen Treiber-Chip mit einer langen Schaltzeit zu wählen, um Übersprechen Interferenzen zu reduzieren (dasselbe gilt für die Lösung vieler anderer Probleme, die durch hohe Geschwindigkeit verursacht werden). Auch wenn das Übersprechen nicht streng proportional zur Schaltzeit ist, hat die Reduzierung der Schaltzeit dennoch erhebliche Auswirkungen. In vielen Fällen können Sie die Treiberchip-Technologie nicht wählen, Sie können nur die geometrischen Parameter ändern, um Ihr Ziel zu erreichen. Reduzieren Sie Übersprechen durch das Terminal

Wie wir alle wissen, wird ein unabhängiges, entkoppeltes Übertragungsleitungsterminal angeschlossen, um der Impedanz anzupassen, es erzeugt keine Reflexion. Betrachten Sie nun eine Reihe von gekoppelten Übertragungsleitungen, zum Beispiel drei Übertragungsleitungen mit Übersprechen miteinander, oder ein Paar gekoppelter Übertragungsleitungen. Wenn Sie Schaltungsanalysesoftware verwenden, können Sie ein Paar Matrizen ableiten, die die Übertragungsleitung selbst sowie die Kapazität und Induktivität untereinander darstellen. Beispielsweise können drei Übertragungsleitungen die folgenden C- und L-Matrizen aufweisen:

In diesen Matrizen sind die diagonalen Elemente die Werte der Übertragungsleitungen selbst und die off-diagonalen Elemente die Werte zwischen den Übertragungsleitungen. (Beachten Sie, dass sie in pF und nH pro Längeneinheit ausgedrückt werden). Zur Bestimmung dieser Werte kann ein ausgeklügelter elektromagnetischer Feldtester eingesetzt werden.

Es ist zu sehen, dass jede Gruppe von Übertragungsleitungen auch eine charakteristische Impedanzmatrix hat. In dieser Z0-Matrix stellt das diagonale Element den Impedanzwert der Übertragungsleitung zur Erde dar, und das off-diagonale Element ist der Kopplungswert der Übertragungsleitung.

Für eine Gruppe von Übertragungsleitungen, ähnlich wie eine einzelne Übertragungsleitung, ist die Klemme eine Impedanzmatrix, die mit Z0 übereinstimmt, ihre Matrix fast gleich. Die erforderliche Impedanz muss nicht der Wert in Z0 sein, solange das gebildete Impedanznetz Z0 entspricht. Die Impedanzmatrix umfasst nicht nur die Impedanz der Übertragungsleitung zur Masse, sondern auch die Impedanz zwischen den Übertragungsleitungen.

Eine solche Impedanzmatrix hat gute Eigenschaften. Erstens kann es die Reflexion von Übersprechen in entkoppelten Linien verhindern. Noch wichtiger ist, dass es das entstandene Übersprechen beseitigen 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 Umsetzung gibt, the impedance array terminal is still a lethal weapon to deal with signal Reflexion und Übersprechen, besonders für raue Bedingungen. In anderen Umgebungen, es kann funktionieren oder nicht, aber es ist immer noch eine empfohlene Methode.