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 prévoir, mais elle peut être contrôlée ou même éliminée.

Avec l'augmentation de la vitesse d'échange, 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. Les propriétés intrinsèques de la carte de circuit imprimé elle - même commencent à apparaître lorsque le temps de commutation du circuit intégré tombe à 5 ou 4 nanosecondes ou moins. 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. Quelles sont les causes de 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. En effet, dans une carte de circuit imprimé, le champ électromagnétique n'est pas limité aux différents câblages, une partie importante de l'énergie du champ électromagnétique est présente à l'extérieur du câblage; ainsi, s'il y a d'autres lignes à proximité, ses champs électriques et magnétiques affectent les autres lignes au fur et à mesure de leur propagation. 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 dans n'importe quelle "victime" peut être divisé en un signal de diaphonie avant et un signal de diaphonie inverse, qui sont en partie causés par un couplage capacitif et un couplage inductif. La description mathématique des signaux diaphoniques est très complexe, mais comme les bateaux à grande vitesse sur le lac, on peut encore comprendre certaines caractéristiques quantitatives des signaux diaphoniques avant et arrière.

Les bateaux à grande vitesse ont deux effets sur l'eau. Tout d'abord, le bateau rapide provoque des vagues à la proue, et les ondulations de l'arc semblent avancer avec le bateau rapide; Deuxièmement, les bateaux rapides, après un certain temps, laissent de longues traces d'eau.

Ceci est très similaire à la réaction de la « victime» lorsque le signal passe par un « intrus». Il existe deux types de signaux diaphoniques chez les « victimes »: les signaux avant avant les signaux d’intrusion, tels que les vagues d’eau et les ondulations à l’étrave; 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 directe se manifeste par deux caractéristiques interconnectées: Capacitive et perceptuelle. Au fur et à mesure que le signal "Intrusion" avance, un signal de tension en phase est généré dans la "victime". La vitesse de ce signal est la même que celle du signal "invasion", mais toujours avant celle du signal "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 des polarités positives et négatives. La durée de l'impulsion est égale au temps de commutation du signal "Intrusion".

La capacité de couplage entre les fils détermine l'amplitude des impulsions diaphoniques directes, 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 des croisements de lignes, etc. l'amplitude est directement proportionnelle à la distance entre les lignes parallèles: plus la distance est longue, plus les impulsions diaphoniques sont importantes. Cependant, il existe une limite supérieure à l'amplitude des impulsions diaphoniques, car le signal "Intrusion" perd progressivement de l'énergie, tandis que la "victime" est à son tour couplée à l '"intrus". Propriétés inductives de la diaphonie directe

Lorsqu'un signal « envahissant » se propage, son champ magnétique variable dans le temps crée également une diaphonie: diaphonie directe avec propriétés inductives. Mais la diaphonie perceptuelle et la diaphonie Capacitive sont nettement différentes: la diaphonie perceptuelle avant est de polarité opposée à la diaphonie Capacitive avant. En effet, dans le sens direct, la partie Capacitive et la partie perceptuelle de la diaphonie sont en concurrence et s'annulent mutuellement. En fait, 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 directe est très faible et la diaphonie inverse devient un problème majeur, en particulier pour les cartes à longues bandes, 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 mutuellement.

Si vous avez mesuré la diaphonie directe, vous pouvez déterminer si votre trace est couplée Capacitive ou inductive en fonction de sa polarité. Si la polarité de diaphonie est identique à celle du signal "d'invasion", 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» produisent des signaux perceptuels et capacitifs dans le corps de la « victime». 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 "Intrusion" sont identiques, la diaphonie avant a une durée identique à celle des signaux "Intrusion". Cependant, la diaphonie inverse et le signal "d'invasion" se propagent dans des directions opposées, ce qui retarde le signal "d'invasion" et provoque de longues rafales 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 vers l'arrière

Vous ne vous souciez peut - être pas des interférences diaphoniques entre la puce du conducteur et la puce du 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 de diaphonie directe qui ont les deux propriétés d'inductance et de capacité, les signaux de diaphonie inverse n'ont qu'une seule polarité, de sorte que les signaux de diaphonie inverse ne peuvent pas s'annuler 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 diaphonique inverse est opposée à celle du signal « intrusif ».

Dans la conception numérique, vous vous souciez souvent de certains indicateurs quantitatifs. Par exemple, quelle que soit l'heure et la manière dont la 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 pensent que la réduction de la longueur de la ligne est 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 du couplage, lorsque vous raccourcissez la longueur d'une ligne sans relation de couplage, la diaphonie diminue à peine. 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 directe 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 de couplage, c'est - à - dire que si la distance est doublée, la diaphonie est réduite 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 qui affectent 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 un terminal pour changer une ligne unique en ligne de couplage multicanaux. 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 votre câblage est très dense, vous devez consacrer beaucoup d'efforts à réduire la densité de câblage. Si vous êtes préoccupé par les interférences diaphoniques, vous pouvez ajouter une couche d'isolation ou deux. 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. Ces deux paramètres sont donc généralement peu 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 le diélectrique de la portion de circuit microruban est déjà de l'air. De plus, il n'est pas facile de changer la constante diélectrique, surtout dans les appareils coûteux. Une solution consiste à utiliser un matériau plus coûteux au lieu du fr - 4.

L'épaisseur du matériau diélectrique affecte les perturbations diaphoniques sur une plus grande longueur. En général, le fait de rapprocher la couche de câblage de la couche d'alimentation (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 de la ligne de transmission, telles que l'impédance, le retard et le couplage, mais le fonctionnement du circuit est également sujet aux pannes et même aux variations. Par example, réduire les interférences diaphoniques en réduisant l'épaisseur du diélectrique de 5 Mil n'est pas possible, bien qu'il soit possible de le faire 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 d'alimentation, ce qui permet un bon équilibre entre le couplage capacitif et le couplage inductif, la diaphonie inverse d'amplitude inférieure devenant le facteur principal. Il est donc important de noter lors de la simulation quelle interférence diaphonique prédomine.

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 des facteurs tels que la topologie, la réflexion, etc., il est difficile d'expliquer qui est le principal influenceur de 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 d'entraînement 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 aura toujours 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 non couplée 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 déduire 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, les éléments diagonaux représentent les valeurs d'impédance de la ligne de transmission à la masse et les éléments non diagonaux les valeurs de couplage de la ligne de transmission.

Pour un ensemble de lignes de transmission, similaire à une seule ligne de transmission, si le terminal est une matrice d'impédance adaptée à Z0, sa matrice est presque identique. Tant que le réseau d'impédances formé est adapté à Z0, l'impédance requise n'a pas besoin d'être la valeur dans 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 performances. Tout d'abord, il peut empêcher la réflexion de diaphonie dans la ligne non couplée. Plus important encore, il peut éliminer la diaphonie déjà formée.

8. Armes mortelles

Malheureusement, une telle terminaison est coûteuse et ne peut être idéalement réalisée 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. Cela peut ou non fonctionner dans d'autres environnements, mais c'est toujours une méthode recommandée.