Technologie PCB - Guide de conception PCB haute vitesse quater: contrôle de diaphonie pour les systèmes numériques haute vitesse

Contenu: dans les circuits haute fréquence, la diaphonie est peut - être la plus difficile à comprendre et à prédire, mais elle peut être contrôlée ou même éliminée.

Avec l'augmentation de la vitesse de commutation, les systèmes numériques modernes rencontrent une série de problèmes tels que la réflexion du signal, l'évanouissement retardé, la diaphonie et les défaillances de compatibilité électromagnétique. Lorsque le temps de commutation d'un circuit intégré tombe à 5 nanosecondes ou 4 nanosecondes ou moins, les propriétés intrinsèques de la carte de circuit imprimé elle - même commencent à apparaître. Malheureusement, ces caractéristiques sont nuisibles et doivent être évitées autant que possible lors de la conception. Dans les circuits haute fréquence, la diaphonie est peut - être la plus difficile à comprendre et à prédire, mais elle peut être contrôlée ou même éliminée.

1. Qu'est - ce qui cause la diaphonie?

Lorsqu'un signal se propage le long du câblage d'une carte de circuit imprimé, ses ondes électromagnétiques se propagent également le long du câblage, d'une extrémité de la puce de circuit intégré à l'autre extrémité de la ligne. Pendant la propagation, les ondes électromagnétiques produisent des tensions et des courants transitoires en raison de l'induction électromagnétique.

Les ondes électromagnétiques comprennent des champs électriques et magnétiques qui varient dans le temps. Dans une carte de circuit imprimé, en pratique, le champ électromagnétique n'est pas limité aux différents câblages, une partie importante de l'énergie du champ électromagnétique étant présente en dehors du câblage. Ainsi, s'il y a d'autres lignes à proximité, les champs électriques et magnétiques du signal affectent les autres lignes lorsqu'il se propage le long du fil. Selon l'équation de Maxwell, les champs électriques et magnétiques variables dans le temps provoquent la production de tension et de courant par les conducteurs adjacents. Ainsi, le champ électromagnétique qui accompagne le processus de propagation du signal provoque la génération d'un signal par les lignes voisines et donc la diaphonie.

Dans les cartes de circuits imprimés, les lignes qui provoquent une diaphonie sont souvent appelées « intrus». Les lignes qui subissent une diaphonie sont souvent appelées « victimes». Le signal de diaphonie de toute "victime" peut être divisé en un signal de diaphonie avant et un signal de diaphonie arrière, ces deux signaux résultant en partie d'un couplage capacitif et d'un couplage inductif. La description mathématique d'un signal diaphonique est très complexe, mais comme un bateau à grande vitesse sur un lac, certaines caractéristiques quantitatives des signaux diaphoniques avant et arrière peuvent encore être comprises.

Les bateaux à grande vitesse ont deux effets sur l'eau. Tout d'abord, le bateau rapide provoque des vagues à l'avant, les ondulations en arc semblent avancer avec le bateau rapide; Deuxièmement, lorsque le bateau rapide voyage pendant un certain temps, il laisse de longues traces d'eau derrière lui.

Ceci est très similaire à la réaction de la « victime» lorsque le signal passe par un « intrus». Il existe deux types de signaux de diaphonie dans la "victime": un signal vers l'avant avant avant le signal d'intrusion, comme l'eau et les ondulations à l'avant du navire; Un signal vers l'arrière derrière le signal d'invasion, comme une trace d'eau dans le lac après le départ du bateau.

2. Caractéristiques capacitives de la diaphonie directe

La diaphonie avant se manifeste par deux propriétés interconnectées: Capacitive et perceptuelle. Au fur et à mesure que le signal d '« invasion » avance, un signal de tension de même phase est généré dans le corps de la « victime ». Ce signal a la même vitesse que le signal "invasion", mais toujours avant "invasion". Cela signifie que le signal diaphonique ne se propage pas à l'avance, mais qu'il est couplé à plus d'énergie à la même vitesse qu'un signal « envahissant».

Comme les variations du signal "intrusif" conduisent à un signal diaphonique, les impulsions diaphoniques directes ne sont pas unipolaires, mais ont à la fois une polarité positive et une polarité négative. La durée de l'impulsion est égale au temps de commutation du signal "Intrusion".

La capacité de couplage entre les fils détermine l'amplitude de l'impulsion de diaphonie directe, la capacité de couplage étant déterminée par de nombreux facteurs tels que le matériau de la carte de circuit imprimé, les dimensions géométriques, l'emplacement du croisement des lignes, etc. l'amplitude est proportionnelle à la distance entre les lignes parallèles: plus la distance est grande, Plus l'impulsion de diaphonie est grande. Cependant, il y a une limite supérieure à l'amplitude des impulsions diaphoniques, car le signal « d'invasion» perd progressivement de l'énergie et la « victime» est à son tour couplée à l '« intrus». Caractéristiques inductives de la diaphonie vers l'avant

Lorsqu'un signal "d'invasion" se propage, son champ magnétique variable dans le temps crée également une diaphonie: diaphonie avant avec propriétés inductives. Mais il y a une différence claire entre la diaphonie perceptuelle et la diaphonie Capacitive: la polarité de la diaphonie perceptuelle directe est opposée à la polarité de la diaphonie Capacitive directe. En effet, dans le sens direct, la partie Capacitive et la partie perceptuelle de la diaphonie sont en concurrence et s'annulent mutuellement. En effet, lorsque la diaphonie Capacitive directe et la diaphonie perçue sont égales, il n'y a pas de diaphonie directe.

Dans de nombreux dispositifs, la diaphonie vers l'avant est très faible, tandis que la diaphonie vers l'arrière devient un problème majeur, en particulier pour les cartes à longue bande, car le couplage capacitif est renforcé. Cependant, sans simulation, il est pratiquement impossible de savoir dans quelle mesure la diaphonie perceptuelle et la diaphonie Capacitive s'annulent.

Si la diaphonie directe est mesurée, on peut déterminer si la trace est couplée Capacitive ou inductive en fonction de sa polarité. Si la polarité de diaphonie est identique à celle du signal "intrusif", le couplage capacitif prédominera, sinon le couplage inductif prédominera. Dans les circuits imprimés, le couplage inductif est généralement plus fort.

La théorie physique de la diaphonie ascendante est la même que celle de la diaphonie ascendante: les champs électriques et magnétiques variables dans le temps des signaux « envahissants » provoquent des signaux perceptuels et capacitifs chez les « victimes ». Mais il y a aussi des différences entre les deux.

La plus grande différence est la durée du signal de diaphonie inverse. Comme le sens et la vitesse de propagation des signaux de diaphonie avant et d '"Intrusion" sont identiques, la durée de la diaphonie avant est la même que celle de l' "Intrusion". Cependant, la diaphonie inverse et le signal "d'invasion" se propagent dans des directions opposées, ce qui le place derrière le signal "d'invasion" et provoque de longs trains d'impulsions.

Contrairement à la diaphonie directe, l'amplitude des impulsions de diaphonie inverse est indépendante de la longueur de la ligne et leur durée d'impulsion est deux fois plus longue que le temps de retard d'un signal "d'intrusion". Pourquoi? Supposons que vous observiez une diaphonie inverse depuis le début du signal. Lorsque le signal "invasion" s'éloigne du point de départ, il produit toujours une impulsion inverse jusqu'à ce qu'un autre signal retardé apparaisse. De cette façon, toute la durée de l'impulsion de diaphonie inverse est le double du temps de retard du signal "d'intrusion".

3. Réflexion de diaphonie inverse

Vous ne vous souciez peut - être pas des interférences diaphoniques entre la puce d'entraînement et la puce de récepteur. Cependant, Pourquoi devriez - vous vous soucier des impulsions inversées? Parce qu'une puce de commande est généralement une sortie à basse impédance, elle réfléchit plus de signaux diaphoniques qu'elle n'en absorbe. Lorsque le signal de diaphonie inverse atteint la puce de conduite de la « victime», il est réfléchi à la puce de réception. Comme la résistance de sortie de la puce de commande est généralement inférieure à celle du fil lui - même, il en résulte souvent une réflexion du signal diaphonique.

Contrairement aux signaux diaphoniques orientés vers l'avant qui ont les deux propriétés d'inductance et de capacité, les signaux diaphoniques inverses n'ont qu'une seule polarité, de sorte que les signaux diaphoniques inverses ne peuvent pas être éliminés par eux - mêmes. Le signal diaphonique inverse et le signal diaphonique réfléchi ont la même polarité que le signal "intrusif" dont l'amplitude est la somme de ces deux parties.

Gardez à l'esprit que lorsque vous mesurez une impulsion diaphonique inverse à la réception de la "victime", ce signal diaphonique est déjà réfléchi par la puce de commande de la "victime". Vous pouvez observer que la polarité du signal de diaphonie inverse est opposée à celle du signal "Intrusion".

Dans la conception numérique, vous vous souciez souvent de certains indicateurs quantitatifs. Par exemple, quand et quand une diaphonie est générée, en avant ou en arrière, sa tolérance maximale au bruit est de 150 MV. Alors, y a - t - il un moyen facile de mesurer le bruit avec précision? La réponse simple est « non», car les effets du champ électromagnétique sont trop complexes et impliquent une série d'équations, la topologie de la carte, les propriétés analogiques de la puce, etc.

4. Longueur de la ligne

De nombreux concepteurs considèrent la réduction de la longueur de la ligne comme la clé pour réduire la diaphonie. En fait, presque tous les logiciels de conception de circuits offrent une fonction de contrôle de longueur de ligne parallèle maximale. Malheureusement, il est difficile de réduire la diaphonie simplement en changeant les valeurs géométriques.

Parce que la diaphonie avant est influencée par la longueur de couplage, la diaphonie diminue à peine lorsque la longueur d'une ligne sans relation de couplage est raccourcie. De plus, si la longueur de couplage dépasse le retard de temps de descente ou de montée de la puce pilote, la relation linéaire entre la longueur de couplage et la diaphonie avant atteindra une valeur de saturation. A ce stade, le raccourcissement d'une ligne de couplage déjà longue a peu d'effet sur la réduction de la diaphonie.

Une approche raisonnable consiste à élargir la distance entre les lignes de couplage. Dans presque tous les cas, la séparation des lignes de couplage peut réduire considérablement les interférences diaphoniques. Il s'avère en pratique que l'amplitude de diaphonie inverse est sensiblement inversement proportionnelle au carré de la distance entre les lignes couplées, c'est - à - dire que si la distance est doublée, la diaphonie diminue de trois quarts. Cet effet est encore plus prononcé lorsque la diaphonie inverse prédomine.

5. Élimination de diaphonie

D'un point de vue pratique, la question la plus importante est de savoir comment éliminer la diaphonie. Que faire lorsque la diaphonie affecte les caractéristiques du circuit?

Vous pouvez adopter les deux stratégies suivantes. Une méthode consiste à modifier un ou plusieurs paramètres géométriques affectant le couplage, tels que la longueur des lignes, la distance entre les lignes et la position hiérarchique de la carte. Une autre méthode consiste à utiliser des bornes pour changer une ligne unique en ligne de couplage multicanal. Avec une conception rationnelle, les terminaux multilignes peuvent éliminer la plupart de la diaphonie.

6. Difficultés d'isolement

Il n'est pas facile d'augmenter la distance entre les lignes de couplage. Si le câblage est très dense, beaucoup d'efforts doivent être dépensés pour réduire la densité de câblage. Si vous êtes préoccupé par les interférences diaphoniques, vous pouvez ajouter une ou deux couches d'isolation. Si vous devez élargir la distance entre les lignes ou les réseaux, vous feriez mieux d'avoir un logiciel facile à utiliser. La largeur et l'épaisseur du circuit affectent également les interférences diaphoniques, mais leur impact est beaucoup plus faible que le facteur de distance du circuit. Par conséquent, ces deux paramètres sont généralement rarement ajustés.

Comme le matériau isolant de la carte a une constante diélectrique, il crée également une capacité de couplage entre les lignes, de sorte que la réduction de la constante diélectrique peut également réduire les interférences diaphoniques. Cet effet n'est pas très évident, d'autant plus que la partie médiane du circuit microruban est déjà de l'air. De plus, il n'est pas facile de changer la constante diélectrique, surtout dans les appareils coûteux. La solution consiste à utiliser un matériau plus coûteux au lieu du fr - 4.

L'épaisseur du matériau diélectrique affecte les perturbations diaphoniques sur une grande longueur. En général, le fait de rapprocher la couche de câblage de la couche de puissance (VCC ou masse) permet de réduire les interférences diaphoniques. La valeur exacte de l'effet d'amélioration doit être déterminée par simulation.

7. Facteurs de stratification

Certains concepteurs de circuits imprimés ne prêtent toujours pas attention à l'approche hiérarchique, qui est une erreur majeure dans la conception de circuits à grande vitesse. La stratification affecte non seulement les performances telles que l'impédance, le retard et le couplage de la ligne de transmission, mais le fonctionnement du circuit est sujet à des pannes et même à des variations. Par example, il n'est pas possible de réduire les perturbations diaphoniques en réduisant l'épaisseur diélectrique de 5 Mil, bien que cela soit possible en termes de coût et de procédé.

Un autre facteur facilement négligé est le choix des couches. Dans de nombreux cas, la diaphonie avant est la principale interférence diaphonique dans les circuits microruban. Cependant, si la conception est raisonnable, la couche de câblage est située entre les deux couches de puissance, de sorte que le couplage capacitif et le couplage inductif sont bien équilibrés et la diaphonie inverse avec une amplitude plus faible devient le facteur principal. Par conséquent, il faut faire attention à ce que les interférences diaphoniques prédominent pendant la simulation.

La relation de position entre le câblage et la puce affecte également la diaphonie. Étant donné que la diaphonie inverse atteint la puce réceptrice et est réfléchie vers la puce d'entraînement, la position et les performances de la puce d'entraînement sont importantes. En raison de la complexité de la topologie, de la réflexion et d'autres facteurs, il est difficile d'expliquer qui est principalement affecté par la diaphonie. Si vous avez le choix entre plusieurs topologies, il est préférable d'utiliser la simulation pour déterminer celle qui a le moins d'impact sur la diaphonie.

Les facteurs non géométriques qui peuvent réduire la diaphonie sont des indicateurs techniques de la puce de pilote elle - même. Le principe général est de choisir une puce de pilote avec un long temps de commutation pour réduire les interférences diaphoniques (de même que la résolution de nombreux autres problèmes causés par la vitesse élevée). Même si la diaphonie n'est pas strictement proportionnelle au temps de commutation, la réduction du temps de commutation peut néanmoins avoir un impact significatif. Dans de nombreux cas, vous ne pouvez pas choisir la technologie Drive Chip, vous pouvez simplement modifier les paramètres géométriques pour atteindre vos objectifs. Réduire la diaphonie à travers le terminal

On sait que la connexion d'une borne de ligne de transmission indépendante et découplée pour adapter l'impédance ne crée pas de réflexion. On considère maintenant une série de lignes de transmission couplées, par example trois lignes de transmission en diaphonie les unes avec les autres, ou une paire de lignes de transmission couplées. Si vous utilisez un logiciel d'analyse de circuit, vous pouvez exporter une paire de matrices représentant la capacité et l'inductance des lignes de transmission elles - mêmes et entre elles. Par example, les trois lignes de transmission peuvent avoir les matrices C et l suivantes:

Dans ces matrices, les éléments diagonaux sont les valeurs des lignes de transmission elles - mêmes et les éléments non diagonaux sont les valeurs entre les lignes de transmission. (Notez qu'ils sont exprimés en PF et NH par unité de longueur). Ces valeurs peuvent être déterminées à l'aide d'un testeur de champ électromagnétique complexe.

On voit que chaque groupe de lignes de transmission possède également une matrice d'impédance caractéristique. Dans cette matrice Z0, l'élément Diagonal représente la valeur de l'impédance de la ligne de transmission à la masse, tandis que l'élément non Diagonal est la valeur de couplage de la ligne de transmission.

Pour un ensemble de lignes de transmission, similaire à une seule ligne de transmission, si la borne est une matrice d'impédance adaptée à Z0, sa matrice est presque identique. L'impédance requise n'a pas besoin d'être la valeur de Z0, tant que le réseau d'impédances formé est adapté à Z0. La matrice d'impédance comprend non seulement l'impédance des lignes de transmission à la masse, mais également l'impédance entre les lignes de transmission.

Une telle matrice d'impédance présente de bonnes caractéristiques. Tout d'abord, il permet d'éviter la réflexion de diaphonie dans la ligne découplée. Plus important encore, il peut éliminer la diaphonie déjà formée.

8. Armes mortelles

Malheureusement, de telles bornes sont coûteuses et ne peuvent pas être idéalement réalisées car l'impédance de couplage entre certaines lignes de transmission est trop faible, ce qui provoquerait un fort courant circulant dans la puce de pilotage. L'impédance entre la ligne de transmission et la masse ne doit pas être trop grande pour piloter la puce. Si vous rencontrez ces problèmes et que vous envisagez d'utiliser ce type de terminal, essayez d'ajouter des condensateurs à couplage AC.

Malgré quelques difficultés de mise en oeuvre, le terminal à matrice d'impédance reste une arme mortelle pour traiter la réflexion et la diaphonie du signal, en particulier dans des conditions difficiles. Dans d'autres contextes, cela peut ou non fonctionner, mais c'est toujours la méthode recommandée.