Blog de PCB - Problemas de conversación cruzada en el diseño de PCB de alta velocidad

En este trabajo se analiza la razón de la conversación cruzada de señales en la comunicación de alta velocidad. PCB Board Diseño,Y métodos de supresión y mejora. En el campo del diseño electrónico en rápido desarrollo, La alta velocidad y la miniaturización se han convertido en la tendencia inevitable del diseño.Al mismo tiempo,Factores como el aumento de la frecuencia de la señal, Reducción del tamaño del tablero,Aumento de la densidad de cableado, Además, la reducción del espesor de la capa intercalar debido al aumento del número de capas causará varios problemas de integridad de la señal.Por consiguiente,Es necesario considerar la integridad de la señal en el diseño de circuitos de alta velocidad,Teoría de la integridad de la señal, A continuación, orientar y verificar el diseño del motor de alta velocidad PCB Board.En todos los problemas de integridad de la señal, Crosstalk es común.La conversación cruzada puede ocurrir dentro del chip, Y en el tablero de circuitos, Conector, Paquete de chips,Cable.

1.Conversación cruzada de placas de PCB de uso general

Crosstalk se refiere a la influencia del acoplamiento electromagnético en las líneas de transmisión adyacentes cuando la señal se transmite en el canal de transmisión. Demasiado crosstalk puede causar que el circuito se active incorrectamente y hacer que el sistema no funcione correctamente.Una señal de cambio (por ejemplo, una señal de paso) se propaga de a A B a lo largo de la línea de transmisión y se produce una señal de acoplamiento en la línea de transmisión C a D.Cuando la señal de cambio regresa a una corriente continua estable, la señal de acoplamiento ya no existe. Por lo tanto, la conversación cruzada sólo se produce en el proceso de salto de frecuencia de la señal, cuanto más rápido cambia la señal, mayor es la conversación cruzada generada. Las conversaciones cruzadas pueden dividirse en conversaciones cruzadas acopladas capacitivamente (debido a la variación de tensión de la fuente de interferencia, la corriente inducida en el objeto interferido induce interferencia electromagnética) y conversaciones cruzadas acopladas inductivamente. Debido a la variación de la corriente de la fuente de interferencia, el voltaje inducido se genera en el objeto perturbado,lo que causa interferencia electromagnética. Las señales de crosstalk generadas por el condensador de acoplamiento se pueden dividir en crosstalk delantero y crosstalk inverso SC en la red de interferencia,y las dos señales tienen la misma polaridad. Las señales de crosstalk generadas por inductores acoplados también se dividen en crosstalk delantero y crosstalk inverso SC, que tienen polaridad opuesta. La Capacitancia y la Inductancia mutua están relacionadas con la conversación cruzada, pero necesitan ser consideradas por separado. Cuando la trayectoria de retorno es un plano amplio y uniforme, como la mayoría de las líneas de transmisión acopladas en el tablero de circuitos, la cantidad de corriente acoplada capacitiva e inductivamente es aproximadamente la misma. En este punto, es necesario predecir la cantidad de conversación cruzada entre los dos. Si el medio de la señal paralela es fijo, es decir, en el caso de la línea de banda, las conversaciones cruzadas delanteras causadas por Inductancia y Capacitancia acopladas son aproximadamente iguales y canceladas entre sí, por lo que sólo se debe considerar la conversación cruzada inversa. Si el medio de la señal paralela no es fijo, es decir, en el caso de la línea MICROSTRIP, con el aumento de la longitud paralela, la conversación cruzada positiva causada por la Inductancia de acoplamiento es mayor que la causada por la Capacitancia de acoplamiento,por lo que la conversación cruzada de la señal paralela interna es mayor que la de la capa superficial. Las señales paralelas tienen poca conversación cruzada.

2.Análisis y supresión de la conversación cruzada de PCB

Todo el proceso de diseño de PCB de alta velocidad incluye el diseño de circuitos,la selección de chips, el diseño esquemático, el diseño de PCB y el cableado.En el proceso de diseño, es necesario encontrar crosstalk en diferentes pasos y tomar medidas para controlarlo,con el fin de reducir la interferencia.

3.Cálculo de la conversación cruzada de PCB

El cálculo de la conversación cruzada es muy difícil.Hay tres factores principales que influyen en la amplitud de la señal de conversación cruzada: el grado de acoplamiento entre trazas, la distancia entre trazas y la terminación de trazas.La distribución de la corriente a lo largo de las trazas MICROSTRIP en las trayectorias hacia adelante y hacia atrás se muestra en la figura 2. La distribución de la corriente entre trazas y planos (o entre trazas y trazas) es la impedancia común, que se acoplará entre sí debido a la propagación de la corriente. La densidad de corriente máxima está directamente por debajo del Centro de la trayectoria y disminuye rápidamente de ambos lados de la trayectoria al suelo. Cuando la trayectoria está lejos del plano, el área del circuito entre la trayectoria hacia adelante y la trayectoria de retorno aumenta, y la Inductancia del circuito aumenta en proporción directa al área del circuito. La siguiente ecuación describe la distribución de la corriente inducida en todo el circuito formado por las rutas de corriente hacia adelante y hacia atrás. La corriente descrita es también la energía total almacenada en el campo magnético alrededor de la trayectoria de la señal.

4. Análisis de conversación cruzada de PCB

El uso de la herramienta EDA para simular la conversación cruzada de PCB puede encontrar, localizar y resolver rápidamente el problema de la conversación cruzada en la implementación de PCB.La simulación en el diseño de alta velocidad incluye la simulación esquemática antes del cableado y la simulación de PCB después del cableado. Puede utilizar las restricciones obtenidas a través de la simulación como restricciones de enrutamiento reales,predecir y eliminar los problemas de conversación cruzada de antemano, por lo que puede restringir eficazmente el diseño y cambiar la pila, y optimizar el reloj, la topología de la señal clave y la terminación antes de la disposición del tablero. Boardsim se utiliza para la simulación post - colocación y cableado. Puede predecir el efecto de acoplamiento desconocido entre los cables de PCB, mostrar los resultados de la simulación en el osciloscopio, y mostrar los detalles de todas las formas de onda de conversación cruzada. El objetivo es predecir y descubrir los problemas de conversación cruzada de los productos acabados reales, ahorrando así el tiempo de los diseñadores y evitando el diseño y la fabricación repetidos del prototipo. Para la simulación de pre - diseño, linesim primero necesita establecer un modelo básico de acoplamiento y establecer diferentes restricciones para diferentes entornos de Circuito, incluyendo el espaciamiento de cables, la longitud paralela, la velocidad de conmutación del conductor IC, el espesor del medio, la estructura de la pila, Etc.. estas restricciones permiten a los diseñadores entender Los problemas que pueden ocurrir en la fase inicial del diseño, con el fin de planificar eficazmente. Reduzca las conversaciones cruzadas que pueden ocurrir antes de la colocación y enrutamiento, y encuentre restricciones como restricciones para el siguiente paso en la colocación y enrutamiento. En la selección de chips de accionamiento, se puede introducir el modelo Ibis (especificación de Buffer de entrada / salida), que normalmente es proporcionado por el fabricante de chips. Hay tres métodos para el análisis de crosstalk de enrutamiento usando boardsim: simulación interactiva de crosstalk, procesamiento por lotes rápido y procesamiento por lotes detallado. Entre ellos, la simulación interactiva de conversación cruzada puede observar directamente la interferencia a través del osciloscopio digital. En este trabajo se presentan los conceptos de umbral geométrico y umbral eléctrico. El umbral geométrico definirá una región, y cualquier red que entre en la región y tenga cierta longitud se considerará una red de ataque. El umbral eléctrico definirá la cantidad de interferencia, y cualquier red que cause más interferencia en la red se considerará un ataque. Red El uso de umbrales geométricos requiere que los diseñadores tengan una cierta comprensión de la conversación cruzada y sepan a qué distancia y en qué nivel se producirá la conversación cruzada. Por lo tanto, a menudo se recomienda un umbral eléctrico más preciso y rápido. El modelo básico tiene dos redes: el conductor A0 (el conductor es una línea de señal de reloj con una frecuencia de funcionamiento de 5,12 msps) está conectado a una resistencia de 1 MW C0 a través de una línea de transmisión; El conductor A1 en modo de recepción está conectado a la resistencia C1 de 720 kW a través de una línea de transmisión. Superior La impedancia característica de cada línea de transmisión acoplada es de 68,8 W y la longitud de acoplamiento es de 9 pulgadas. Hyperlynx calculó un retraso de aproximadamente 1.581 NS por línea. El modelo se divide en ocho capas, dos líneas de señal se establecen como líneas internas (y líneas MICROSTRIP) y se encuentran en la misma capa. En las restricciones de diseño y cableado de PCB, la anchura de la línea es de 5 ML, el espaciamiento de la línea es de 5 ML y la constante dieléctrica relativa se establece en 4.3. En la figura, la sonda osciloscopio se añade en A0, Planta baja y C1, respectivamente. El osciloscopio se puede utilizar para ver la forma de onda. La resistencia de 10 MW de B1 también está configurada para añadir sondas.

5.Supresión de comentarios cruzados

No importa el cálculo de crosstalk antes del diseño, la simulación antes del diseño y el cableado, o la simulación después del diseño y el cableado, es hacer que el PCB pueda lograr la interferencia rápidamente. Por lo tanto, es necesario utilizar la experiencia pasada en el proceso de diseño para resolver los problemas actuales. Aquí hay un resumen de la experiencia de evitar eficazmente la conversación cruzada en el diseño y cableado:

La conversación cruzada entre el acoplamiento capacitivo y el acoplamiento inductivo aumenta con el aumento de la Impedancia de carga de la línea afectada, por lo que la reducción de la carga puede reducir la influencia de la interferencia de acoplamiento;

Aumentar la distancia entre los conductores acoplados capacitivamente en la medida de lo posible, y es más eficaz aislar los conductores con cables de tierra;

La inserción de cables de tierra entre líneas de señal adyacentes también puede reducir eficazmente la conversación cruzada capacitiva. El cable de tierra debe estar conectado a la capa de tierra cada 1 / 4 de longitud de onda.

Es difícil suprimir el acoplamiento inductivo. Es necesario minimizar el número de bucles, reducir el área del bucle y no permitir que el bucle de señal comparta el mismo cable.

Evite el bucle de intercambio de señales.

En un proceso de alta velocidad PCB Board Diseño, No sólo necesitamos entender los conceptos teóricos en detalle, Acumular experiencia y perfeccionar la teoría. Al mismo tiempo, El ciclo de diseño también se puede acortar mediante el uso de software auxiliar relacionado, Para mejorar la competitividad, Y juega un papel importante en el éxito del diseño.. Alta velocidad PCB BoardEl diseño a nivel de jerarquía y sistema es un proceso complejo, No se puede ignorar la integridad de la señal, incluida la conversación cruzada de la señal. Utilizar diferentes métodos en diferentes etapas del ciclo de diseño para asegurar que el diseño se complete rápida y eficientemente, Ahorrar tiempo y evitar la duplicación PCB Board.