L'actualité PCB - Méthode de mesure diaphonique du Domaine temporel PCB

Méthode de mesure de diaphonie dans le domaine temporel pour la vérification de la qualité des circuits imprimés analyse de la diaphonie dans le domaine temporel cet article traite de la composition de la diaphonie et montre au lecteur comment mesurer la diaphonie sur un circuit imprimé simple face à l'aide d'un oscilloscope échantillonné de la série tds8000b de tektronixâs ou d'un analyseur de signaux de communication de la série csa8000b. À mesure que les systèmes numériques évoluent de plus en plus rapidement dans les domaines de la communication, de la vidéo, des réseaux et de la technologie informatique, les exigences de qualité pour les cartes de circuits imprimés augmentent également. Face à l'augmentation de la fréquence du signal et à la réduction du temps de montée des impulsions, les premières conceptions de PCB ne pouvaient garantir les performances du système et les exigences de travail. Dans la conception actuelle des PCB, nous devons utiliser la théorie des lignes de transmission pour modéliser les PCB et leurs composants (connecteurs Edge, lignes microruban et prises de composants). Seule une compréhension complète des formes, des mécanismes et des conséquences de la diaphonie des PCB et l'utilisation de la technologie correspondante pour minimiser la diaphonie peuvent nous aider à améliorer la fiabilité de nos systèmes, y compris les PCB. Cet article se concentre principalement sur la conception de PCB, mais je suis sûr que ce qui est discuté dans cet article sera également utile pour d'autres applications telles que la caractérisation des câbles et des connecteurs.

Conséquences possibles de la diaphonie

La raison pour laquelle les concepteurs de PCB se soucient de la diaphonie est que la diaphonie peut entraîner les problèmes de performance suivants:

> augmentation du niveau sonore,

> bavures nuisibles,

> data Edge jitter,

> réflexion inattendue du signal.

Lequel de ces problèmes affecte la conception du PCB dépend de nombreux facteurs, tels que les caractéristiques des circuits logiques utilisés sur la carte, la conception de la carte, le mode de diaphonie (inverse ou avant), les conditions de terminaison des deux côtés de la ligne brouillée et la ligne brouillée. Les informations fournies ci - dessous peuvent aider les lecteurs à approfondir leur compréhension et leur recherche sur la diaphonie, réduisant ainsi l'impact de la diaphonie sur la conception.

Méthodes d'étude de la diaphonie

Pour minimiser la diaphonie dans la conception de PCB, nous devons trouver un équilibre entre la tolérance et la sensibilité et nous efforcer d'atteindre la valeur d'impédance nominale, car la fabricabilité des PCB nécessite un bon contrôle de l'impédance de la ligne de transmission. Une fois la conception de la carte terminée, les composants, les connecteurs et les méthodes de terminaison sur la carte déterminent quel type de diaphonie peut avoir un impact important sur les performances du circuit. En utilisant des méthodes de mesure dans le domaine temporel, les concepteurs peuvent être aidés à définir les limites de l'analyse de diaphonie en calculant la fréquence des points d'inflexion et en comprenant le modèle Crosstalk sur PCB.

Méthodes de mesure dans le domaine temporel

Pour mesurer et analyser la diaphonie, on peut utiliser des techniques de Domaine fréquentiel pour observer la relation entre les composantes harmoniques de l'horloge dans le spectre et le maximum EMI à ces fréquences harmoniques. Cependant, la mesure dans le domaine temporel des bords du signal numérique (temps nécessaire pour passer de 10% à 90% du niveau du signal) est également un moyen de mesure et d'analyse de la diaphonie, la mesure dans le domaine temporel présentant les avantages suivants: la vitesse de variation ou le temps de montée des bords du signal numérique reflète directement la hauteur de chaque composante fréquentielle du signal. La vitesse du signal définie par les bords du signal (c'est - à - dire le temps de montée) contribue également à révéler le mécanisme de diaphonie. Le temps de montée peut être utilisé directement pour calculer la fréquence des points d'inflexion. Cet article utilisera la méthode de mesure du temps de montée pour expliquer et mesurer la diaphonie.

Fréquence des points d'inflexion

Pour s'assurer que les systèmes numériques fonctionnent de manière fiable, les concepteurs doivent étudier et vérifier les performances de la conception du circuit en dessous de la fréquence du point d'inflexion. L'analyse fréquentielle du signal numérique montre que les signaux supérieurs à la fréquence du point d'inflexion seront atténués et n'auront donc pas d'effet sensible sur la diaphonie, alors que l'énergie contenue dans les signaux inférieurs à la fréquence du point d'inflexion est suffisante pour influencer le fonctionnement du circuit. La fréquence des points d'inflexion est calculée par la formule suivante:

F genou = 0,5 / tiers

Modèle de diaphonie PCB

Le modèle présenté dans cette section fournit une plate - forme pour l'étude des différentes formes de diaphonie et explique comment l'impédance mutuelle entre deux lignes microruban conduit à la diaphonie sur une carte PCB.

Les impédances mutuelles sont uniformément réparties le long des deux traces. Lorsque le circuit de porte numérique envoie un front montant à la ligne diaphonique, une diaphonie est générée, la diaphonie se propageant le long de la trace:

1. La capacité mutuelle cm et l'inductance mutuelle LM couplent ou "diaphonient" la tension à la ligne perturbée adjacente.

2. La tension de diaphonie apparaît sur la ligne perturbée sous la forme d'une impulsion étroite dont la largeur est égale au temps de montée de l'impulsion sur la ligne perturbée.

3. Sur la ligne perturbée, l'impulsion diaphonique se divise en deux, puis commence à se propager dans deux directions opposées. Cela divise la diaphonie en deux parties: la diaphonie avant qui se propage dans le sens de propagation de l'impulsion perturbatrice originale et la diaphonie arrière qui se propage dans le sens opposé à la source du signal.

Type de diaphonie et mécanisme de couplage

Sur la base du modèle discuté ci - dessus, le mécanisme de couplage de la diaphonie sera présenté ci - dessous et les deux types de diaphonie avant et arrière seront discutés.

Mécanisme de couplage capacitif

Mécanisme d'interférence induit par la capacité mutuelle dans le circuit:

> Quand une impulsion sur la ligne interférente atteint le condensateur, une impulsion étroite sera couplée à la ligne interférente à travers le condensateur.

> l'amplitude des impulsions de couplage est déterminée par la taille de la capacité mutuelle.

> l'impulsion de couplage est alors divisée en deux et commence à se propager le long de la ligne interféronnée dans deux directions opposées.

Mécanisme de couplage inductif ou transformateur

L'inductance mutuelle dans le circuit provoque les perturbations suivantes:

> les impulsions se propageant sur la ligne de perturbation vont charger la prochaine position où une pointe de courant apparaît.

> cette pointe de courant crée un champ magnétique qui induit alors une pointe de courant sur la ligne perturbée.

> le transformateur va générer deux pics de tension de polarités opposées sur la ligne perturbée: les pics négatifs se propagent en avant et les pics positifs en arrière.

Diaphonie inverse

Les tensions de diaphonie de couplage capacitif et inductif induites par le modèle ci - dessus vont créer un effet additif dans la position de diaphonie de la ligne perturbée. La diaphonie inverse qui en résulte comporte les caractéristiques suivantes:

> la diaphonie inverse est la somme de deux impulsions de même polarité.

> du fait que la position de diaphonie se propage le long des bords de l'impulsion perturbatrice, l'interférence inverse se présente sous la forme d'un signal impulsionnel large de bas niveau à la source de la ligne perturbée et il existe une correspondance entre sa largeur et la longueur de la trace.

> l'amplitude de la diaphonie réfléchie est indépendante du temps de montée des impulsions de la ligne interférente, mais dépend de la valeur de l'impédance mutuelle.

Diaphonie avant

Il est rappelé que les tensions de diaphonie de couplage capacitif et inductif vont s'accumuler dans les positions de diaphonie des lignes perturbées. La diaphonie avant comprend les caractéristiques suivantes:

> la diaphonie avant est la somme de deux impulsions de polarité inverse. Comme les polarités sont opposées, le résultat dépend des valeurs relatives de la capacité et de l'inductance.

> la diaphonie vers l'avant apparaît à l'extrémité de la ligne perturbée sous la forme de pics étroits dont la largeur est égale au temps de montée des impulsions perturbées.

> la diaphonie avant dépend du temps de montée de l'impulsion perturbatrice. Plus le front montant est rapide, plus l'amplitude est élevée et plus la largeur est étroite.

> l'amplitude de la diaphonie vers l'avant dépend également de la longueur de la paire: les impulsions diaphoniques vers l'avant sur la ligne perturbée gagneront plus d'énergie à mesure que la position de la diaphonie se propagera le long des bords des impulsions perturbatrices.

Caractérisation de la diaphonie

Cette section utilisera plusieurs exemples de mesure de PCB monocouche pour étudier le mécanisme de génération de diaphonie ainsi que plusieurs types de diaphonie présentés ci - dessus.

Remarque: pour vous familiariser avec les PCB multicouches et leurs problèmes de diaphonie et leurs conséquences sur le plan de masse, lisez les ressources ou autres ressources à la fin de cet article.

Instruments et réglages

Pour mesurer efficacement la diaphonie en laboratoire, il convient d'utiliser un oscilloscope large bande avec une largeur de bande de mesure de 20 GHz et un générateur d'impulsions de haute qualité délivrant des impulsions dont le temps de montée est égal à celui de l'oscilloscope pour piloter le circuit testé. Dans le même temps, des câbles de haute qualité, des résistances de terminaison et des adaptateurs sont utilisés pour connecter les PCB testés.

Le module d'échantillonnage électronique 80e04 est installé dans les instruments de la série 8000b de Tektronix et constitue la combinaison idéale pour mesurer avec succès la diaphonie. Le 80e04 est un module d'échantillonnage à deux canaux comprenant un générateur de tension pas à pas TDR qui peut produire une impulsion étroite de 250 MV avec un temps de montée de 17 ps et une sortie avec une impédance de source de 50 ohms. Le testeur doit simplement connecter le PCB que vous souhaitez tester.

Mesure diaphonique vers l'avant

Si vous ne mesurez que la diaphonie avant, vous devez terminer toutes les traces pour éliminer la réflexion. La diaphonie directe doit être mesurée à l'extrémité d'un fil perturbé bien terminé.

Si l'inductance mutuelle est supérieure à la diaphonie du couplage capacitif mutuel, l'impulsion diaphonique doit être négative sur le front montant de l'impulsion perturbatrice et avoir une largeur égale au temps de descente de l'impulsion perturbatrice. L'instrument de la figure montre une impulsion négative (C4) d'amplitude 48,45 MV. L'amplitude de l'impulsion perturbatrice est de 250 MV et l'amplitude de diaphonie est proche de 50 MV, de sorte que le Front rapide de l'impulsion perturbatrice produit 20% de diaphonie sur la ligne perturbée.

La tension de pas d'entrée de 800e04 ayant un front très rapide lors de la mesure, la diaphonie obtenue est trop importante et ne peut être représentative du signal de pilotage dans le circuit logique proprement dit. Par example, si le signal de pilotage provient d'une grille CMOS de 1,5 NS, les impulsions diaphoniques générées sont plus larges et de plus faible amplitude. Pour que la mesure reflète cette situation, vous pouvez utiliser la fonction define Math de l'instrument pour ajouter un filtre passe - Bas après avoir capturé le signal. La forme d'onde M1 (en blanc) de la figure 7 donne les résultats des mesures après filtrage. Il est à noter que la sensibilité de M1 dans la direction verticale est 10 fois supérieure à celle de la forme non filtrée.

Bien que l'analyse mathématique ait montré que le filtrage passe - Bas après capture du signal a le même effet que le filtrage physique des impulsions perturbatrices connectées à la ligne, les étapes suivantes sont plus convaincantes:

> mesure de la diaphonie induite par deux fronts montants rapides et lents et par des impulsions perturbatrices de même amplitude,

> la diaphonie induite par une impulsion perturbatrice rapide sur front montant est ensuite changée en diaphonie induite par une impulsion perturbatrice lente sur front montant au moyen d'un filtre passe - Bas et le résultat est enfin vérifié.

> $la forme d'onde (R2) est l'impulsion d'interférence de bord lent, tandis que la forme d'onde Rouge (R3) est la diaphonie causée par elle.

> la forme d'onde verte est l'impulsion TDR de bord rapide (R1), tandis que la forme d'onde blanche (R4) est la diaphonie causée par elle.

> la forme d'onde bleue est celle obtenue en ralentissant le front montant de l'impulsion après filtrage de la forme d'onde blanche et elle représente le résultat du post - filtrage de la diaphonie. Les formes d'ondes diaphoniques rouges et bleues représentées sur la figure sont affichées sur la même échelle de tension.

Lors d'une seule mesure de diaphonie inverse, il est nécessaire de terminer la ligne perturbée et la ligne perturbée par une résistance de 50 ohms pour éliminer la réflexion. La mesure doit être effectuée à l'extrémité gauche de la ligne perturbée. L'amplitude des impulsions réfléchies est très faible et la largeur double de la longueur de la ligne, car la diaphonie à l'extrémité de la piste doit être transmise à l'extrémité source de la piste. Dans la mesure de la diaphonie inverse, la diaphonie générée par l'impulsion de perturbation de bord rapide est d'environ?? MV, soit 4% de l'amplitude de l'impulsion perturbatrice. L'amplitude de la diaphonie inverse est indépendante du temps de montée de l'impulsion perturbatrice. Les deux formes d'onde suivantes sont la diaphonie générée par les impulsions de bord lent après filtrage et la diaphonie générée par les impulsions de bord rapide. Leurs amplitudes sont toutes de 6,5 MV. La différence entre la longueur de la trace et le temps de montée de l'impulsion perturbatrice rend l'amplitude de diaphonie inverse générée par l'impulsion de bord lent plus faible.

Du fait que le temps de montée de l'impulsion interférentielle est à ce moment plus long que la longueur de ligne de la trace, le bord de l'impulsion n'a pas encore atteint le pic d'amplitude lorsque l'impulsion est renvoyée à l'extrémité source de la trace dans le sens de la trace. La figure 11 montre les résultats des mesures diaphoniques obtenues lorsque la sortie du générateur de temps de montée de 200 PS (dg2040) et du générateur de 17 PS du module d'échantillonnage 80004 est utilisée comme impulsion perturbatrice. Les trois formes d'ondes diaphoniques représentées sur la figure utilisent toutes une échelle de tension de 5 MV / div.

Où la forme d'onde blanche est le résultat de la diaphonie générée après filtrage (post - filtrage) par une impulsion perturbatrice de temps de montée de 17 PS jusqu'à un temps de montée de 200 ps. Ces mesures ont confirmé que le temps de montée n'affecte pas la diaphonie inverse à moins que le temps de montée de L'impulsion perturbatrice ne dépasse la longueur de la trace. Et si le temps de montée de l'impulsion perturbatrice dépasse la longueur de la trace, l'amplitude de diaphonie inverse résultante est faible car dans ce cas, l'amplitude crête ne peut pas être atteinte par le bord de l'impulsion même après que celui - ci ait traversé toute la trace.