Tecnología de PCB - Análisis de conversación cruzada de PCB de alta velocidad y su minimización

1 Introducción

Con la mejora continua de la complejidad y el rendimiento de los productos electrónicos, la densidad de las placas de circuito impreso y la frecuencia de los dispositivos relacionados también están aumentando. Mantener y mejorar la velocidad y el rendimiento del sistema se ha convertido en un problema importante para los diseñadores. La frecuencia de la señal se hace más alta, el borde se empina, el tamaño de la placa de circuito impreso se hace más pequeño y la densidad de cableado aumenta, lo que aumenta significativamente el impacto de la conversación cruzada en el diseño de PCB de alta velocidad. El problema de la conversación cruzada existe objetivamente, pero más allá de un cierto límite puede causar que el circuito se desencadene erróneamente, lo que hace que el sistema no funcione correctamente. Los diseñadores deben comprender los mecanismos de las conversaciones cruzadas y aplicar métodos adecuados en el diseño para minimizar los efectos negativos de las conversaciones cruzadas.

2. generación y tendencia de cambio de la conversación cruzada de señales digitales de alta frecuencia

La conversación cruzada se refiere a una señal de tensión acústica no deseada producida por el acoplamiento de campos magnéticos entre señales adyacentes cuando la señal se propaga en la línea de transmisión, es decir, la energía se acopla de una línea a otra.

Como se muestra en la figura 1, para facilitar el análisis, describimos el modelo de conversación cruzada de dos líneas de transmisión adyacentes de acuerdo con el modelo equivalente discreto. La resistencia característica de la línea de transmisión AB y CD es z0, y la resistencia de coincidencia del terminal R = z0. Si la fuente de accionamiento del punto a es la fuente de interferencia, la red de cable entre A y B se llama la línea aggressor, y la red de cable entre C y D se llama la línea victim, que está perturbada. La conversación cruzada cerca del extremo conductor de la red de la fuente de interferencia se llama conversación cruzada cercana (también conocida como conversación cruzada hacia atrás), y la conversación cruzada cerca del extremo receptor de la red de la fuente de interferencia se llama conversación cruzada remota (también conocida como conversación cruzada principal). La conversación cruzada proviene principalmente de la inducción mutua LM y la capacidad mutua cm formada entre dos conductores adyacentes.

2.1 acoplamiento inductor

En la figura 1, en primer lugar, solo se considera el acoplamiento inductor causado por la inducción mutua LM. El campo magnético de la señal transmitida en la línea a A B induce el voltaje en la línea c a D. el efecto del Acoplamiento magnético es similar al del transformador. Debido a que se trata de una línea de transmisión distribuida, la inducción mutua también se ha convertido en una serie de transformadores distribuidos en dos líneas de transmisión paralelas adyacentes. Cuando la señal de paso de voltaje se mueve de A a b, cada transformador distribuido en la línea de interferencia genera secuencialmente picos de interferencia en la red perturbada. el ruido de voltaje superpuesto por la inducción mutua en la red perturbada es proporcional a la variación de la corriente de conducción en la red perturbada. la fórmula de cálculo del ruido generado por la inducción mutua es

Cabe señalar que las polaridades de acoplamiento de inducción mutua de cada parte del transformador de acoplamiento son diferentes. La energía de interferencia generada contra la red perturbada es positiva e inversa en orden, pero la polo opuesta fluye hacia C y c a lo largo de la línea de transmisión cd, respectivamente.

Como se muestra en la figura 2, la energía de interferencia positiva en la dirección C es proporcional al voltaje incidente y a cada componente de inducción mutua LM. Debido a que toda la energía de interferencia positiva alcanza el punto C casi al mismo tiempo, la energía de interferencia positiva es directamente proporcional a la cantidad total de inducción mutua de las dos líneas de transmisión. cuanto más larga sea la longitud paralela de la línea de transmisión, mayor será la cantidad total de inducción mutua generada, y la energía de interferencia positiva también aumentará. Sin embargo, la energía de interferencia inversa del punto de orientación D es diferente de la energía de interferencia positiva del punto de orientación c. sí, aunque el área total de acoplamiento de ambos es la misma, el componente de interferencia inducido por cada transformador alcanza D a su vez, y el tiempo efectivo de la energía de interferencia inversa es de hasta 2tp (tp es el retraso en la propagación). Con la extensión de la longitud paralela (es decir, el aumento de la inducción mutua), la amplitud de la conversación cruzada inversa no cambiará, pero la duración aumentará.

2.2 acoplamiento capacitivo

Los condensadores mutuos son otro mecanismo para generar conversaciones cruzadas. El interconductor cm producirá una corriente inducida en la red perturbada. esta corriente es proporcional a la tasa de variación del voltaje en la red perturbada. la fórmula de cálculo del ruido generado por el interconductor CMS es:

El mecanismo de acoplamiento de los condensadores de acoplamiento distribuidos es similar al de los condensadores de acoplamiento inductivos distribuidos, la diferencia es la polo de acoplamiento. Como se muestra en la figura 3, la energía de interferencia positiva e inversa del acoplamiento de capacidad mutua es positiva.

2.3 efecto combinado de la inducción mutua y la capacidad mutua

Por lo general, la conversación cruzada capacitiva y la conversación cruzada inductiva ocurren simultáneamente. A partir de la literatura [1], podemos obtener las fórmulas de cálculo de la conversación cruzada total cercana y lejana superpuesta por acoplamiento capacitivo e inductor, respectivamente.

El ruido total de las conversaciones cruzadas de extremo cercano es:

El ruido total de conversación cruzada remota es:

Entre ellos, z0, c, l, cm, lm, L y V0 son la resistencia característica de la línea de transmisión, la capacidad por unidad de longitud, la inducción por unidad de longitud, la capacidad de acoplamiento e inducción de acoplamiento entre las dos líneas de transmisión, la longitud paralela de las dos líneas de transmisión y el pico de tensión.

A partir de las dos fórmulas anteriores, se puede ver que debido a la relación polar entre el acoplamiento capacitivo e inductor, el ruido total de la conversación cruzada remota se compensa entre sí, es decir, la conversación cruzada remota se puede eliminar. En el diseño de pcb, el circuito de línea de banda puede mostrar un buen equilibrio entre el acoplamiento inductivo y el acoplamiento capacitivo, y su energía de acoplamiento positivo es muy pequeña; Para las líneas de MICROSTRIP (microstfip), los campos eléctricos asociados a la conversación cruzada son grandes. una parte del canal es aire y no otros materiales aislantes, por lo que la conversación cruzada capacitiva es menor que la conversación cruzada inductiva, lo que resulta en un acoplamiento positivo menos negativo. Es por eso que la interferencia de las conversaciones cruzadas remotas a menudo se ignora en los diseños habituales, enfatizando la mejora de las conversaciones cruzadas cercanas.

En el diseño real, los parámetros relevantes del PCB (como espesor, constante dieléctrica, etc.), así como la longitud de la línea, el ancho de la línea, el espaciamiento de la línea, la ubicación de la línea de transmisión y el plano de tierra, y el flujo de corriente afectan a c, l, cm, lm, L. el tamaño está determinado por la frecuencia de la señal y el tiempo de subida / bajada del dispositivo.

Aquí no realizaremos un análisis cuantitativo del impacto de estos parámetros en las conversaciones cruzadas. Para la relación entre estos parámetros y el grado de influencia de la conversación cruzada, consulte otras referencias relevantes.

2.4 evolución de las conversaciones cruzadas

El tamaño de la inducción mutua y la capacidad mutua afectará el tamaño de la conversación cruzada, cambiando así la resistencia característica y la velocidad de propagación de la línea de transmisión de manera equivalente. Del mismo modo, la geometría de la línea de transmisión afecta en gran medida los cambios en la inducción mutua y la capacidad mutua, por lo que la resistencia característica de la propia línea de transmisión también afectará a estos parámetros. En el mismo medio, el acoplamiento entre la línea de transmisión de baja resistencia relativa y el plano de referencia (plano de tierra) es más fuerte, mientras que el acoplamiento entre la línea de transmisión de baja resistencia relativa y la línea de transmisión adyacente es más débil, por lo que el cambio de resistencia causado por la conversación cruzada en la línea de Transmisión de baja resistencia es menor.

3 varios efectos de las conversaciones cruzadas

En el diseño de PCB de alta velocidad y alta densidad, generalmente se proporciona un plano de tierra completo, de modo que cada línea de señal básicamente solo interactúa con su línea de señal más cercana, y el acoplamiento cruzado con otras líneas de señal lejanas es insignificante. Sin embargo, en un sistema analógico se requiere una resistencia muy alta cuando la señal de alta potencia pasa por una señal de entrada de bajo nivel o cuando un componente con un voltaje de señal más alto, como ttl, se acerca a un componente con un voltaje de señal más bajo, como ecl. Capacidad de conversación cruzada. En el diseño de pcb, si no se maneja adecuadamente, la conversación cruzada tiene los siguientes dos efectos típicos en la integridad de la señal de los PCB de alta velocidad.

3.1 activación incorrecta causada por comentarios

La conversación cruzada de señales es una parte importante del problema de integridad de la señal que enfrenta el diseño de alta velocidad. El error funcional del circuito digital causado por la conversación cruzada es uno de los más comunes.

La figura 4 es una transmisión típica de la lógica errónea en redes adyacentes causadas por pulsos de conversación cruzada. Las señales transmitidas en la red de fuente de interferencia generan pulsos de ruido en la red perturbada y en el extremo receptor a través de condensadores de acoplamiento, lo que resulta en el envío de pulsos inesperados al extremo receptor. Si la intensidad del pulso supera el valor de activación del extremo receptor, se producirá un pulso de activación incontrolable, lo que dará lugar a un caos en la función lógica de la red de siguiente nivel.

3.2 retraso en el tiempo causado por la conversación cruzada

En el diseño digital, el problema de la cronología es una consideración importante. La figura 5 muestra los problemas de tiempo causados es es por el ruido de conversación cruzada. La segunda mitad del gráfico son dos pulsos de ruido producidos por la red de fuentes de interferencia (con burras de retraso y burras inútiles causadas por el ruido de conversación cruzada de la figura 5). Cuando los pulsos de ruido (burras beneficiosas) se superponen a la red perturbada, puede causar interferencia en la transmisión de la señal de la red. Reducción del retraso; Del mismo modo, cuando los impulsos de ruido (burras inútiles) se superponen a la red perturbada, aumenta el retraso en la transmisión normal de la señal por parte de la red perturbada. aunque este ruido de crosstalk que reduce el retraso en la transmisión de la red ayuda a mejorar la cronología del pcb, en el diseño real del pcb, este retraso es incontrolable Debido a la incertidumbre de la red de fuentes de interferencia, por lo que es necesario frenar el retraso causado por este crosstalk.

4. minimizar las conversaciones cruzadas

La conversación cruzada está en todas partes en el diseño de PCB de alta velocidad y alta densidad, y el impacto de la conversación cruzada en el sistema suele ser negativo. Para reducir las conversaciones cruzadas, lo más básico es hacer que el acoplamiento entre la red de fuente de interferencia y la red interferida sea lo más pequeño posible. En un diseño de PCB de alta densidad y complejo, es imposible evitar completamente la conversación cruzada. Sin embargo, en el diseño del sistema, el diseñador debe elegir el método adecuado para minimizar las conversaciones cruzadas sin afectar el resto del rendimiento del sistema. En combinación con el análisis anterior, la solución del problema de la conversación cruzada se considera principalmente desde los siguientes aspectos:

Aumentar la distancia entre las líneas de transmisión en la medida de lo posible si las condiciones de cableado lo permiten; O minimizar la longitud paralela entre líneas de transmisión adyacentes (longitud paralela acumulada), preferiblemente cableado entre diferentes capas.

Las capas de señal de las dos capas adyacentes (sin aislamiento de capa plana) deben ser perpendiculares a la dirección del cableado, evitando el cableado paralelo en la medida de lo posible para reducir la conversación cruzada entre capas.

Al garantizar el tiempo de la señal, trate de seleccionar dispositivos con baja velocidad de conversión para ralentizar la tasa de variación del campo eléctrico y magnético, reduciendo así la conversación cruzada.

Al diseñar la pila, la capa dieléctrica entre la capa de cableado y el plano de referencia (fuente de alimentación o plano de tierra) debe ser lo más delgada posible, siempre que se cumpla la resistencia característica, aumentando así el acoplamiento entre la línea de transmisión y el plano de referencia y reduciendo el acoplamiento adyacente de la línea de transmisión.

Debido a que la superficie solo tiene un plano de referencia, el acoplamiento del campo eléctrico del cableado superficial es más fuerte que la capa media, por lo que las líneas de señal más sensibles a las conversaciones cruzadas deben colocarse en la medida de lo posible en la capa Interior.

A través de la conexión final, la resistencia de los terminales lejanos y cercanos de la línea de transmisión puede coincidir con la resistencia de la línea de transmisión, reduciendo así considerablemente la magnitud de la conversación cruzada.

5. observaciones finales

El diseño de sistemas digitales ha entrado en una nueva etapa. Muchos de los problemas de diseño de alta velocidad que una vez fueron secundarios ahora tienen un impacto clave en el rendimiento del sistema. Los problemas de integridad de la señal, incluida la conversación cruzada, han traído cambios en el concepto de diseño, el proceso de diseño y el método de diseño. Frente a los nuevos desafíos, lo más importante para el ruido de conversación cruzada es identificar aquellas redes que realmente tienen un impacto en el funcionamiento normal del sistema, en lugar de suprimir ciegamente el ruido de conversación cruzada en todas las redes. Esto también está en línea con los limitados recursos de cableado. Contradicciones. La conversación cruzada discutida en este artículo es de gran importancia para resolver el problema de la conversación cruzada en el diseño de circuitos de alta velocidad y alta densidad.