Technologie PCB - Analyse diaphonique PCB haute vitesse et sa minimisation

1 Introduction

À mesure que la complexité et les performances des produits électroniques augmentent, la densité des cartes de circuits imprimés et la fréquence des dispositifs associés augmentent également. Maintenir et améliorer la vitesse et les performances de votre système est devenu un problème important pour les concepteurs. La fréquence du signal devient plus élevée, les bords deviennent plus raides, la taille de la carte de circuit imprimé devient plus petite, la densité de câblage augmente, etc., ce qui augmente considérablement l'impact de la diaphonie dans la conception de circuits imprimés à grande vitesse. Les problèmes de diaphonie existent objectivement, mais le dépassement d'une certaine limite peut entraîner un mauvais déclenchement du circuit, ce qui empêche le système de fonctionner correctement. Les concepteurs doivent comprendre les mécanismes de la diaphonie et appliquer les méthodes appropriées à la conception pour minimiser les effets négatifs de la diaphonie.

2. Génération et tendance changeante de diaphonie de signal numérique à haute fréquence

Par diaphonie, on entend un signal de tension de bruit indésirable résultant du couplage mutuel des champs électromagnétiques entre signaux voisins, c'est - à - dire du couplage de l'énergie d'une ligne à l'autre, lorsqu'un signal se propage sur une ligne de transmission.

Comme le montre la figure 1, pour faciliter l'analyse, nous avons décrit un modèle diaphonique de deux lignes de transmission adjacentes selon un modèle d'équivalence discret. L'impédance caractéristique des lignes de transmission AB et CD est Z0 et la résistance r = Z0 est adaptée aux bornes. Si la source d'entraînement du point a est une source d'interférence, le réseau câblé entre a et B, appelé ligne aggressor, et le réseau câblé entre C et d, appelé ligne vicim, est perturbé. La diaphonie près de l'extrémité de pilotage du réseau source d'interférence est appelée diaphonie proximale (également appelée diaphonie inverse) et la diaphonie de phase près de l'extrémité de réception du réseau source d'interférence est appelée diaphonie distale (également appelée diaphonie avant). La diaphonie provient principalement de l'inductance mutuelle LM et de la capacité mutuelle cm formées entre deux conducteurs adjacents.

2.1 couplage inductif

Sur la figure 1, on considère tout d'abord uniquement le couplage inductif induit par l'inductance mutuelle LM. Le champ magnétique des signaux transmis sur les lignes a à B induit une tension sur les lignes C à D. le couplage magnétique agit comme un transformateur. Comme il s'agit d'une ligne de transmission distribuée, l'inductance mutuelle devient également une série de transformateurs répartis sur deux lignes de transmission parallèles adjacentes. Lorsque le signal d'échelon de tension passe de a à B, chaque transformateur distribué sur la ligne interférente induit à son tour l'apparition de pics interférents sur le réseau perturbé. Le bruit de tension auquel se superposent les inductances mutuelles du réseau perturbé est proportionnel à la variation du courant d'entraînement du réseau perturbé. La formule de calcul du bruit généré par les inductances mutuelles est

Il est à noter que la polarité du couplage inductif mutuel de chaque partie du transformateur de couplage est différente. L'énergie d'interférence générée par le réseau perturbé va de l'avant vers l'arrière, mais de polarités opposées, le long de la ligne de transmission CD, respectivement vers C et C.

Comme le montre la figure 2, l'énergie de perturbation directe dans la Direction C est proportionnelle à la tension incidente et à chaque composante d'inductance mutuelle LM. Puisque toute l'énergie d'interférence directe atteint le point C presque simultanément, l'énergie d'interférence directe et la quantité d'inductance mutuelle des deux lignes de transmission sont proportionnelles, et plus les longueurs parallèles des lignes de transmission sont longues, plus la quantité totale d'inductance mutuelle résultante est grande et plus l'énergie d'interférence directe augmente; Cependant, l'énergie d'interférence inverse vers le point d est différente de l'énergie d'interférence directe vers le point c. Oui, bien que la surface totale de couplage soit la même pour les deux, la composante d'interférence induite par chaque transformateur atteint successivement D et la durée effective de l'énergie d'interférence inverse est jusqu'à 2tp (TP étant le retard de propagation). L'amplitude de la diaphonie inverse ne change pas à mesure que la longueur parallèle augmente (c'est - à - dire que l'inductance mutuelle augmente), mais la durée augmente.

2.2 couplage capacitif

La capacité mutuelle est un autre mécanisme de génération de diaphonie. La capacité mutuelle cm engendre un courant induit sur le réseau perturbé. Ce courant est proportionnel au taux de variation de la tension sur le réseau perturbé. La formule de calcul du bruit généré par la capacité mutuelle cm est:

Le mécanisme de couplage des condensateurs à couplage distribué est similaire au couplage inductif distribué, à la différence de la polarité du couplage. Comme le montre la figure 3, la polarité des énergies perturbatrices avant et arrière du couplage capacitif est positive.

2.3 effets combinés de l'inductance mutuelle et de la capacité

Typiquement, la diaphonie Capacitive et la diaphonie inductive se produisent simultanément. A partir du document [1], on peut obtenir les formules de calcul de la diaphonie totale proximale et distale après superposition du couplage capacitif et du couplage inductif respectivement.

Le bruit total de la diaphonie proximale est:

Le bruit total de diaphonie distale est:

Où Z 0, C, l, CM, LM, l et V 0 sont les impédances caractéristiques de la ligne de transmission, la capacité par unité de longueur, l'inductance par unité de longueur, la capacité de couplage et l'inductance de couplage entre les deux lignes de transmission, la longueur en parallèle des deux lignes de transmission et les pics de tension.

Il ressort des deux formules ci - dessus que le bruit total de la diaphonie distale est soustrait l'un à l'autre, c'est - à - dire que la diaphonie distale peut être supprimée, du fait des relations de polarité du couplage capacitif et du couplage inductif. En configuration PCB, le circuit à ruban peut présenter un bon équilibre entre couplage inductif et capacitif et son énergie de couplage en direct est très faible; Pour les lignes microruban (microstfip), le champ électrique associé à la diaphonie est important. Une partie du canal est de l'air et non d'autres matériaux isolants, de sorte que la diaphonie Capacitive est inférieure à la diaphonie inductive, ce qui entraîne un nombre moins négatif de couplages en direct. C'est pourquoi les interférences de la diaphonie distale sont souvent négligées dans la conception habituelle, en mettant l'accent sur l'amélioration de la diaphonie proximale.

Dans la conception réelle, les paramètres pertinents du PCB (tels que l'épaisseur, la constante diélectrique, etc.), ainsi que la longueur de la ligne, la largeur de la ligne, l'espacement des lignes, la position de la ligne de transmission et du plan de masse, et la direction du courant affectent tous c, L, CM, LM, L. les dimensions sont déterminées par la fréquence du signal et le temps de montée / descente du dispositif.

Nous n'effectuons pas ici d'analyse quantitative de l'effet de ces paramètres sur la diaphonie. Pour plus de détails sur la relation entre ces paramètres et le degré d'influence de la diaphonie, consultez d'autres références pertinentes.

2.4 tendances changeantes de la diaphonie

La taille de l'inductance mutuelle et de la capacité mutuelle influence la taille de la diaphonie, ce qui modifie de manière équivalente l'impédance caractéristique et la vitesse de propagation de la ligne de transmission. De même, la géométrie de la ligne de transmission influence fortement les variations de l'inductance mutuelle et de la capacité mutuelle, de sorte que l'impédance caractéristique de la ligne de transmission elle - même influence également ces paramètres. Dans le même milieu, le couplage entre une ligne de transmission à relativement faible impédance et un plan de référence (plan de masse) est plus fort, tandis que le couplage entre une ligne de transmission à relativement faible impédance et une ligne de transmission voisine sera plus faible, de sorte que les variations d'impédance induites par la diaphonie sur une ligne de transmission à faible impédance sont moindres.

3 plusieurs effets causés par la diaphonie

Dans les conceptions de PCB à haute vitesse et à haute densité, un plan de masse complet est généralement prévu de sorte que chaque ligne de signal n'interagit essentiellement qu'avec la ligne de signal la plus proche, le couplage croisé avec les autres lignes de signal distantes étant négligeable. Cependant, dans les systèmes analogiques, des résistances très élevées sont nécessaires lorsqu'un signal de forte puissance traverse un signal d'entrée de niveau bas ou lorsqu'un composant à tension de signal plus élevée, par example TTL, est proche d'un composant à tension de signal plus faible, par example ECL. Fonction de diaphonie. Dans la conception de PCB, la diaphonie a les deux effets typiques suivants sur l'intégrité du signal d'un PCB à grande vitesse si elle n'est pas traitée correctement.

3.1 faux déclenchement causé par diaphonie

La diaphonie du signal est une partie importante des problèmes d'intégrité du signal rencontrés par les conceptions à grande vitesse. Les erreurs de fonctionnement des circuits numériques causées par la diaphonie sont les plus courantes.

La figure 4 est une transmission typique d'une logique d'erreur dans un réseau voisin provoquée par des impulsions diaphoniques. Le signal émis sur le réseau source d'interférence, par l'intermédiaire d'un condensateur de couplage, génère des impulsions de bruit sur le réseau perturbé et sur la borne de réception, provoquant l'émission d'impulsions indésirables vers la borne de réception. Si l'intensité de cette impulsion dépasse la valeur de déclenchement à la réception, une impulsion de déclenchement incontrôlable est générée, ce qui entraîne une confusion dans le fonctionnement logique du réseau de niveau suivant.

3.2 retard de temporisation causé par la diaphonie

Dans la conception numérique, la question du temps est une considération importante. La figure 5 montre les problèmes de synchronisation causés par le bruit de diaphonie. Dans la partie inférieure de la figure, on a représenté deux impulsions de bruit générées par le réseau de sources perturbatrices (figure utile 5 bavures retardées et bavures invalidées induites par le bruit de diaphonie). Lorsque des impulsions de bruit (bavures utiles) sont superposées au réseau perturbé, elles vont provoquer une perturbation de la transmission des signaux du réseau. Réduction des retards; De même, lorsque des impulsions bruitées (unhelpful glitch) sont superposées au réseau perturbé, elles augmentent le délai de transmission normale du signal par le réseau perturbé. Bien que ce bruit diaphonique qui réduit le délai de transmission du réseau contribue à améliorer la temporisation du PCB, dans la conception réelle du PCB, ce retard n'est pas contrôlable en raison de l'incertitude du réseau source d'interférence, de sorte que le retard causé par cette diaphonie doit être supprimé.

4. Minimisez la diaphonie

La diaphonie est omniprésente dans les conceptions de PCB haute densité à haute vitesse et l'impact de la diaphonie sur le système est souvent négatif. Pour réduire la diaphonie, l'essentiel est de rendre le couplage entre le réseau source d'interférence et le réseau perturbé aussi faible que possible. Dans les conceptions de PCB complexes et de haute densité, il est impossible d'éviter complètement la diaphonie. Cependant, dans la conception du système, le concepteur doit choisir la méthode appropriée pour minimiser la diaphonie sans compromettre les autres performances du système. En combinaison avec l'analyse ci - dessus, la résolution des problèmes de diaphonie est principalement considérée sous les aspects suivants:

Si les conditions de câblage le permettent, augmenter autant que possible la distance entre les lignes de transmission; Soit réduire autant que possible les longueurs parallèles entre lignes de transmission adjacentes (cumul de longueurs parallèles) et de préférence Router les lignes entre les différentes couches.

Les couches de signal des deux couches adjacentes (sans isolation de couche plane) doivent être perpendiculaires à la direction du câblage et éviter autant que possible le câblage parallèle afin de réduire la diaphonie entre les couches.

Dans le cas où la synchronisation des signaux est garantie, essayez de choisir des dispositifs à faible vitesse de conversion pour ralentir la vitesse de variation des champs électriques et magnétiques et réduire ainsi la diaphonie.

Lors de la conception de l'empilement, la couche diélectrique entre la couche de câblage et le plan de référence (alimentation ou plan de masse) doit être aussi mince que possible, sous réserve que l'impédance caractéristique soit respectée, ce qui augmente le couplage entre la ligne de transmission et le plan de référence et réduit le couplage adjacent de la ligne de transmission.

Comme la couche superficielle n'a qu'un seul plan de référence et que le couplage de champ électrique du câblage de la couche superficielle est plus fort que celui de la couche intermédiaire, les lignes de signal plus sensibles à la diaphonie doivent être placées autant que possible dans la couche interne.

Par terminaison, l'impédance des bornes distale et proximale de la ligne de transmission peut être adaptée à celle de la ligne de transmission, ce qui peut réduire considérablement l'amplitude de la diaphonie.

5. Mot de fin

La conception des systèmes numériques entre dans une nouvelle phase. De nombreux problèmes de conception à haute vitesse étaient secondaires et ont maintenant un impact crucial sur les performances du système. Les problèmes d'intégrité du signal, y compris la diaphonie, ont entraîné des changements dans les concepts de conception, les processus de conception et les méthodes de conception. Face aux nouveaux défis, le bruit de diaphonie est avant tout d'identifier les réseaux qui ont un réel impact sur le bon fonctionnement du système, plutôt que de supprimer le bruit de diaphonie sur tous les réseaux. Cela correspond également aux ressources de câblage limitées. Contradictoire La diaphonie discutée dans cet article a des implications importantes pour résoudre les problèmes de diaphonie dans la conception de circuits haute densité à haute vitesse.