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Contenido: en los circuitos de alta frecuencia, la conversación cruzada puede ser la más difícil de entender y predecir, pero se puede controlar o incluso eliminar.
Con el aumento de la velocidad de conmutación, los sistemas digitales modernos han encontrado una serie de problemas, como la reflexión de la señal, el desvanecimiento de retraso, la conversación cruzada y las fallas de compatibilidad electromagnética. Cuando el tiempo del interruptor del circuito integrado cae a 5 nanosegundos o 4 nanosegundos o más, las características inherentes de la propia placa de circuito impreso comienzan a aparecer. Desafortunadamente, estas características son dañinas y deben evitarse en la medida de lo posible durante el diseño. En los circuitos de alta frecuencia, la conversación cruzada puede ser la más difícil de entender y predecir, pero se puede controlar o incluso eliminar.
¿1. ¿ cuál es la razón de la conversación cruzada?
Cuando la señal se propaga a lo largo del cableado de la placa de circuito impreso, sus ondas electromagnéticas también se propagan a lo largo del cableado de un extremo del chip de circuito integrado al otro extremo de la línea. Durante la propagación, las ondas electromagnéticas generan tensión y corriente transitorias debido a la inducción electromagnética.
Las ondas electromagnéticas incluyen campos eléctricos y magnéticos que varían con el tiempo. De hecho, en las placas de circuito impreso, los campos magnéticos no se limitan a varios tipos de cableado, y una parte considerable de la energía de los campos magnéticos existe fuera del cableado. por lo tanto, si hay otras líneas cercanas, cuando la señal se propaga a lo largo de la línea, su campo eléctrico y magnético afectará a otras líneas. Según la ecuación de maxwell, los campos eléctricos y magnéticos variables en el tiempo pueden causar que los conductores adyacentes produzcan voltaje y corriente. Por lo tanto, el campo electromagnético que acompaña el proceso de propagación de la señal hará que las líneas adyacentes produzcan señales, lo que dará lugar a conversaciones cruzadas.
En las placas de circuito impreso, las líneas que causan comentarios suelen llamarse "invasores". las líneas interferidas por comentarios suelen llamarse "víctimas". Las señales de crosstalk en cualquier "víctima" se pueden dividir en señales de crosstalk positivas y señales de crosstalk inversas, que son causadas en parte por el acoplamiento capacitivo y el acoplamiento inductor. La descripción matemática de las señales de conversación cruzada es muy compleja, pero al igual que los barcos de alta velocidad en el lago, todavía se pueden entender algunas características cuantitativas de las señales de conversación cruzada hacia adelante y hacia atrás.
Los barcos de alta velocidad tienen dos efectos en el agua. En primer lugar, la lancha rápida provoca olas en la proa, y las ondas curvas parecen moverse hacia adelante con la lancha rápida; En segundo lugar, después de un período de conducción de la lancha rápida, dejará largas huellas de agua.
Esto es muy similar a la respuesta de la "víctima" cuando la señal pasa por el "invasor". Hay dos tipos de señales de conversación cruzada en la "víctima": señales hacia adelante antes de la señal de intrusión, como ondas de agua y ondas en la proa; La señal trasera detrás de la señal de intrusión es como una pista de agua en el lago después de que el barco zarpó.
2. características capacitivas de la conversación cruzada positiva
La conversación cruzada positiva se manifiesta en dos características interrelacionadas: capacitiva y perceptiva. Cuando la señal de "intrusión" avanza, se genera una señal de voltaje de la misma fase en la "víctima". La señal tiene la misma velocidad que la señal de "invasión", pero siempre antes de la señal de "invasión". Esto significa que la señal de conversación cruzada no se propaga por adelantado, sino que se acopla a más energía a la misma velocidad que la señal de "intrusión".
Debido a que los cambios en la señal de "intrusión" conducen a la señal de conversación cruzada, el pulso de conversación cruzada positiva no es unipolar, sino positivo y negativo. La duración del pulso es igual al tiempo de conmutación de la señal de "intrusión".
Los condensadores de acoplamiento entre los cables determinan la magnitud del pulso de conversación cruzada positiva, que está determinado por muchos factores, como el material de la placa de circuito impreso, el tamaño geométrico, la ubicación del cruce de líneas, etc. la magnitud es proporcional a la distancia entre líneas paralelas: cuanto más larga sea la distancia, mayor será el pulso de conversación cruzada. Sin embargo, la magnitud del pulso de conversación cruzada tiene un límite superior, ya que la señal de "invasión" pierde gradualmente energía y la "víctima" a su vez se acopla de nuevo al "invasor". Características de inducción de la conversación cruzada positiva
Cuando la señal de "invasión" se propaga, el campo magnético variable en el tiempo también produce conversaciones cruzadas: conversaciones cruzadas positivas con características inductoras. Sin embargo, la conversación cruzada perceptiva y la conversación cruzada capacitiva son significativamente diferentes: la polo de la conversación cruzada perceptiva hacia adelante es opuesta a la conversación cruzada capacitiva hacia adelante. Esto se debe a que en la dirección positiva, la parte capacitiva y la parte perceptiva de la conversación cruzada compiten y se compensan mutuamente. De hecho, cuando la conversación cruzada capacitiva positiva es igual a la conversación cruzada perceptiva, no hay conversación cruzada positiva.
En muchos dispositivos, la conversación cruzada positiva es muy pequeña y la conversación cruzada inversa se convierte en un problema importante, especialmente para placas de circuito de tiras largas, ya que el acoplamiento capacitivo se mejora. Sin embargo, sin simulación, es prácticamente imposible saber hasta qué punto las conversaciones cruzadas perceptivas y las conversaciones cruzadas capacitivas se compensan entre sí.
Si ha medido una conversación cruzada positiva, puede determinar si su rastro está acoplado capacitivamente o inductivamente en función de su polo. Si la polarización de la conversación cruzada es la misma que la señal de "intrusión", predominará el acoplamiento capacitivo, de lo contrario predominará el acoplamiento inductivo. En las placas de circuito impreso, el acoplamiento inductivo suele ser más fuerte.
La teoría física de la conversación cruzada hacia atrás es la misma que la teoría de la conversación cruzada hacia adelante: los campos eléctricos y magnéticos variables en el tiempo que invaden la señal generan señales de percepción y condensadores en el cuerpo de la "víctima". Pero también hay diferencias entre los dos.
La mayor diferencia es la duración de la señal de conversación cruzada inversa. Debido a la misma dirección y velocidad de propagación de las señales de conversación cruzada hacia adelante y "intrusión", la duración de la conversación cruzada hacia adelante es la misma que la duración de la señal de "intrusión". Sin embargo, las señales de crosstalk inverso y "intrusión" se propagan en la dirección opuesta, se quedan atrás de las señales de "invasión" y provocan largas cadenas de pulsos.
A diferencia de la conversación cruzada positiva, la amplitud del pulso de conversación cruzada inversa es independiente de la longitud de la línea, y su duración del pulso es el doble del tiempo de retraso de la señal de "intrusión". ¿¿ por qué? Supongamos que observa una conversación cruzada inversa desde el punto de partida de la señal. Cuando la señal de "intrusión" se aleja del punto de partida, todavía genera un pulso inverso hasta que aparece otra señal de retraso. De esta manera, toda la duración del pulso de conversación cruzada inversa es el doble del tiempo de retraso de la señal de "intrusión".
3. reflejo de la conversación cruzada hacia atrás
Es posible que no le importe la interferencia de conversación cruzada entre el chip del conductor y el chip del receptor. ¿Sin embargo, ¿ por qué te importa el pulso inverso? Debido a que el chip conductor suele ser una salida de baja resistencia, refleja más señales de conversación cruzada que las señales de conversación cruzada absorbidas. Cuando la señal de conversación cruzada inversa llega al chip de accionamiento de la "víctima", se reflejará en el chip receptor. Debido a que la resistencia de salida del chip del conductor suele estar por debajo del propio cable, a menudo conduce a la reflexión de la señal de conversación cruzada.
A diferencia de las señales de crosstalk positivas con dos características inductoras y capacitivas, las señales de crosstalk inversas solo tienen una polo, por lo que las señales de crosstalk inversas no se pueden compensar por sí mismas. La polarización de la señal de conversación cruzada inversa y la señal de conversación cruzada reflejada es la misma que la señal de "intrusión", y su magnitud es la suma de estas dos partes.
Recuerde que cuando mide el pulso de conversación cruzada inversa en el extremo receptor de la "víctima", la señal de conversación cruzada ha sido reflejada por el chip de accionamiento de la "víctima". Puede observar que la polarización de la señal de conversación cruzada inversa es opuesta a la señal de "intrusión".
En el diseño digital, a menudo te preocupas por algunos indicadores cuantitativos. Por ejemplo, la tolerancia máxima al ruido de las conversaciones cruzadas es de 150 mv, independientemente de cuándo y cómo se produzcan, ya sea hacia adelante o hacia atrás. ¿Entonces, ¿ hay una manera simple de medir con precisión el ruido? La respuesta simple es "no", porque los efectos del campo electromagnético son demasiado complejos y implican una serie de ecuaciones, la estructura topológica de la placa de circuito, las características analógicas del chip, etc.
4. longitud de la línea
Muchos diseñadores creen que acortar la longitud de la línea es la clave para reducir las conversaciones cruzadas. De hecho, casi todo el software de diseño de circuitos ofrece la función de control de longitud máxima de línea paralela. Desafortunadamente, es difícil reducir las conversaciones cruzadas solo cambiando los valores geométricos.
Debido a que la conversación cruzada positiva se ve afectada por la longitud del acoplamiento, cuando acortas la longitud de las líneas sin relación de acoplamiento, la conversación cruzada apenas disminuye. Además, si la longitud de acoplamiento excede el retraso en el tiempo de descenso o ascenso del chip del conductor, la relación lineal entre la longitud de acoplamiento y la conversación cruzada positiva alcanzará el valor de saturación. En este momento, acortar la ya larga línea de acoplamiento tiene poco impacto en la reducción de comentarios cruzados.
Una forma razonable es ampliar la distancia entre las líneas de acoplamiento. En casi todos los casos, la separación de las líneas de acoplamiento puede reducir considerablemente la interferencia de conversación cruzada. La práctica ha demostrado que la amplitud de la conversación cruzada inversa es aproximadamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las líneas de acoplamiento, es decir, si la distancia se duplica, la conversación cruzada se reducirá en tres cuartas partes. Este efecto es más evidente cuando predomina la conversación cruzada inversa.
5. eliminación de comentarios
Desde un punto de vista práctico, la pregunta más importante es cómo eliminar las conversaciones cruzadas. ¿¿ qué debes hacer cuando la conversación cruzada afecta las características del circuito?
Puede adoptar las siguientes dos estrategias. Una forma es cambiar uno o más parámetros geométricos que afectan el acoplamiento, como la longitud de la línea, la distancia entre líneas y la posición estratificada de la placa de circuito. Otra forma es utilizar terminales para cambiar una sola línea a una línea de acoplamiento multicanal. A través de un diseño razonable, los terminales multilínea pueden eliminar la mayoría de las conversaciones cruzadas.
6. dificultades de aislamiento
No es fácil aumentar la distancia entre las líneas de acoplamiento. Si su cableado es muy denso, debe dedicar mucha energía a reducir la densidad del cableado. Si le preocupa la interferencia de conversación cruzada, puede agregar una o dos capas de aislamiento. Si tienes que ampliar la distancia entre líneas o redes, es mejor que tengas un software fácil de operar. El ancho y el grosor del circuito también pueden afectar la interferencia de conversación cruzada, pero su impacto es mucho menor que el factor de distancia del circuito. Por lo tanto, estos dos parámetros suelen ajustarse poco.
Debido a que el material aislante de la placa de circuito tiene una constante dieléctrica, también produce condensadores de acoplamiento entre líneas, por lo que reducir la constante dieléctrica también puede reducir la interferencia de conversación cruzada. Este efecto no es muy obvio, especialmente el dieléctrico de la parte del Circuito de MICROSTRIP ya es aire. Más importante aún, no es fácil cambiar la constante dieléctrica, especialmente en equipos caros. Una solución es usar materiales más caros que el FR - 4.
El espesor del material dieléctrico afecta la interferencia de conversación cruzada en una longitud mayor. Por lo general, acercar la capa de cableado a la capa de alimentación (vcc o tierra) puede reducir la interferencia de conversación cruzada. El valor exacto del efecto de mejora debe determinarse a través de la simulación.
7. factores de estratificación
Algunos diseñadores de placas de circuito impreso todavía no prestan atención al método de estratificación, que es un gran error en el diseño de circuitos de alta velocidad. La estratificación no solo afecta el rendimiento de la línea de transmisión, como la resistencia, el retraso y el acoplamiento, sino que también el funcionamiento del circuito es propenso a fallas e incluso cambios. Por ejemplo, es imposible reducir la interferencia de conversación cruzada reduciendo el espesor dieléctrico de 5 mil, aunque se puede hacer en términos de costos y procesos.
Otro factor fácil de ignorar es la elección de la capa. En muchos casos, la conversación cruzada hacia adelante es la principal interferencia de conversación cruzada en los circuitos de microstrip. Sin embargo, si el diseño es razonable, la capa de cableado se encuentra entre las dos capas de alimentación, lo que hace que el acoplamiento capacitivo y el acoplamiento inductor estén bien equilibrados, y la conversación cruzada inversa de menor amplitud se convierte en el factor principal. Por lo tanto, se debe prestar atención a qué tipo de interferencia de conversación cruzada prevalece durante la simulación.
La relación de ubicación entre el cableado y el chip también puede afectar la conversación cruzada. Debido a que la conversación cruzada inversa llega al chip receptor y se refleja en el chip conductor, la ubicación y el rendimiento del chip conductor son muy importantes. Debido a la complejidad de la estructura topológica, la reflexión y otros factores, es difícil explicar quién es el principal influencer de la conversación cruzada. Si hay varias topologías para elegir, es mejor usar simulaciones para determinar qué estructura tiene el menor impacto en la conversación cruzada.
Los factores no geométricos que pueden reducir las conversaciones cruzadas son los indicadores técnicos del propio chip de accionamiento. El principio general es elegir un chip de accionamiento con largos tiempos de conmutación para reducir la interferencia de conversación cruzada (lo mismo ocurre con muchos otros problemas causados es es por la Alta velocidad). Incluso si la conversación cruzada no es estrictamente proporcional al tiempo de conmutación, la reducción del tiempo de conmutación tendrá un impacto significativo. En muchos casos, no puedes elegir la tecnología del chip de accionamiento, solo puedes cambiar los parámetros geométricos para lograr tu objetivo. Reducir las conversaciones cruzadas a través de terminales
Se sabe que conectar un terminal de línea de transmisión independiente y no acoplado para igualar la resistencia no produce reflejos. Ahora se considera una serie de líneas de transmisión acopladas, como tres líneas de transmisión que interactúan entre sí, o un par de líneas de transmisión acopladas. Si utiliza el software de análisis de circuitos, puede deducir un par de matrices que representan los condensadores e inductores de la propia línea de transmisión y entre sí. Por ejemplo, las tres líneas de transmisión pueden tener las siguientes matrices C y l:
En estas matrices, los elementos diagonales son los valores de la propia línea de transmisión, y los elementos no diagonales son los valores entre las líneas de transmisión. (tenga en cuenta que están representados por PF y NH por unidad de longitud). Estos valores se pueden determinar utilizando sofisticados probadores de campo electromagnético.
Se puede ver que cada grupo de líneas de transmisión también tiene una matriz de Resistencia característica. en esta matriz z0, los elementos diagonales representan el valor de resistencia de la línea de transmisión al suelo, y los elementos no diagonales son el valor de acoplamiento de la línea de transmisión.
Para un grupo de líneas de transmisión, similares a una sola línea de transmisión, si el terminal es una matriz de resistencia que coincide con z0, su matriz es casi la misma. Mientras la red de resistencia formada coincida con z0, la resistencia necesaria no tiene que ser el valor en z0. La matriz de resistencia incluye no solo la resistencia de la línea de transmisión al suelo, sino también la resistencia entre las líneas de transmisión.
Esta matriz de resistencia tiene un buen rendimiento. En primer lugar, puede evitar que las conversaciones cruzadas se reflejen en líneas no acopladas. Más importante aún, puede eliminar las conversaciones cruzadas que se han formado.
8. armas letales
Desafortunadamente, Este terminal es caro y no se puede lograr de manera ideal, ya que la resistencia de acoplamiento entre algunas líneas de transmisión es demasiado pequeña, lo que provocará que una gran corriente fluya hacia el chip del conductor. La resistencia entre la línea de transmisión y el suelo no puede ser demasiado grande para conducir el chip. Si hay estos problemas y planea usar este tipo de terminales, intente agregar algunos condensadores de acoplamiento AC.
A pesar de algunas dificultades en la implementación, los terminales de matriz de resistencia siguen siendo un arma letal para procesar la reflexión de señales y la conversación cruzada, especialmente en malas condiciones. En otros entornos puede o no funcionar, pero sigue siendo un método recomendado.
