Notizie PCB - Metodo di misurazione crosstalk del dominio temporale PCB

Metodo di misura crosstalk del dominio temporale per la verifica della qualità PCB Analisi del metodo di misura crosstalk del dominio temporale per la verifica della qualità PCB Questo articolo discute la composizione del crosstalk e mostra ai lettori come utilizzare l'oscilloscopio di campionamento serie TDS8000B di Tektronix o l'analizzatore del segnale di comunicazione serie CSA8000B per misurare la crosstalk su un PCB unilaterale. Con la crescente velocità dei sistemi digitali nei settori della comunicazione, del video, della rete e della tecnologia informatica, anche i requisiti di qualità per i circuiti stampati (PCB) in tali sistemi sono sempre più elevati. La progettazione iniziale del PCB non è stata in grado di garantire le prestazioni del sistema e i requisiti di funzionamento di fronte all'aumento della frequenza del segnale e alla diminuzione del tempo di aumento dell'impulso. Nell'attuale progettazione PCB, dobbiamo utilizzare la teoria della linea di trasmissione per modellare il PCB e i suoi componenti (connettori di bordo, linee microstrip e prese di componenti). Solo comprendendo appieno le forme, i meccanismi e le conseguenze del crosstalk sui PCB e utilizzando le tecnologie corrispondenti per sopprimerli nella massima misura possiamo aiutarci a migliorare l'affidabilità dei sistemi, compresi i PCB. Questo articolo si concentra principalmente sulla progettazione di PCB, ma credo che il contenuto discusso nell'articolo aiuterà anche altre applicazioni come la caratterizzazione di cavi e connettori.

Possibili conseguenze delle conversazioni incrociate

Il motivo per cui i progettisti di PCB si preoccupano del crosstalk è che il crosstalk può causare i seguenti problemi di prestazioni:

>Il livello di rumore aumenta,

>Frese nocive per punte,

>jitter bordo dati,

> Riflessione del segnale inattesa.

Quale di questi problemi influenzerà la progettazione del PCB dipende da molti fattori, come le caratteristiche del circuito logico utilizzato sulla scheda, il design del circuito stampato, la modalità di crosstalk (inverso o avanti), e la linea di interferenza e la linea interferente Le condizioni di terminazione su entrambi i lati. Le informazioni fornite di seguito possono aiutare i lettori ad approfondire la loro comprensione e ricerca sul crosstalk, riducendo così l'impatto del crosstalk sul design.

Il metodo di studio del crosstalk

Al fine di ridurre al minimo il crosstalk nella progettazione PCB, dobbiamo trovare un equilibrio tra reattanza capacitiva e reattanza induttiva e sforzarci di raggiungere il valore di impedenza nominale, perché la fabbricabilità del PCB richiede che l'impedenza della linea di trasmissione sia ben controllata. Dopo che il circuito stampato è stato progettato, i componenti, i connettori e i metodi di terminazione sulla scheda determinano quale tipo di crosstalk avrà molto impatto sulle prestazioni del circuito. Utilizzando metodi di misurazione del dominio temporale, calcolando la frequenza del punto di flessione e comprendendo il modello crosstalk PCB (Crosstalk-on-PCB), può aiutare i progettisti a impostare la gamma di confine dell'analisi crosstalk.

Metodo di misurazione del dominio temporale

Al fine di misurare e analizzare il crosstalk, la tecnologia del dominio di frequenza può essere utilizzata per osservare la relazione tra le componenti armoniche dell'orologio nello spettro di frequenza e l'EMI massimo a queste frequenze armoniche. Tuttavia, la misurazione del dominio temporale del bordo del segnale digitale (il tempo necessario per salire dal 10% del livello del segnale al 90%) è anche un mezzo di misurazione e analisi della crosstalk, e la misurazione del dominio temporale ha i seguenti vantaggi: Cambiamenti nei bordi del segnale digitale Velocità, o tempo di aumento, riflette direttamente quanto sia alta ogni componente di frequenza nel segnale. Pertanto, la velocità del segnale (cioè tempo di aumento) definita dal bordo del segnale può anche aiutare a rivelare il meccanismo della crosstalk. Il tempo di salita può essere utilizzato direttamente per calcolare la frequenza del punto di flessione. Questo articolo utilizzerà il metodo di misurazione del tempo di salita per spiegare e misurare il crosstalk.

frequenza del ginocchio

Per garantire che un sistema digitale possa funzionare in modo affidabile, i progettisti devono studiare e verificare le prestazioni del progetto del circuito al di sotto della frequenza del punto di flessione. L'analisi del dominio di frequenza dei segnali digitali mostra che i segnali superiori alla frequenza del punto di flessione saranno attenuati, e quindi non avranno un impatto sostanziale sul crosstalk, mentre l'energia contenuta nei segnali al di sotto della frequenza del punto di flessione è sufficiente per influenzare il funzionamento del circuito. La frequenza del punto di flessione è calcolata con la formula seguente:

Fknee = 0,5/ trise

Modello crosstalk PCB

Il modello fornito in questa sezione fornisce una piattaforma per lo studio di diverse forme di crosstalk e chiarisce come l'impedenza reciproca tra due linee microstrip causi crosstalk sulla scheda PCB.

L'impedenza reciproca è distribuita uniformemente lungo le due tracce. Il crosstalk viene generato quando il circuito digitale del gate invia un bordo ascendente alla linea crosstalk, e si diffonde lungo la traccia:

1. Sia la capacità reciproca Cm che l'induttanza reciproca Lm coppia o "crosstalk" una tensione alla linea interferente adiacente.

2. La tensione crosstalk appare sulla linea interferente sotto forma di impulso stretto con una larghezza pari al tempo di salita dell'impulso sulla linea interferente.

3. Sulla linea interferente, l'impulso crosstalk si divide in due, e poi inizia a propagarsi in due direzioni opposte. Questo divide il crosstalk in due parti: crosstalk in avanti che si propaga lungo la direzione originale di propagazione dell'impulso di interferenza e crosstalk inverso che si propaga lungo la direzione opposta alla sorgente del segnale.

Tipo di conversazione incrociata e meccanismo di accoppiamento

Secondo il modello discusso sopra, il meccanismo di accoppiamento del crosstalk sarà introdotto di seguito e i due tipi di crosstalk, avanti e indietro, saranno discussi.

meccanismo di accoppiamento capacitivo

Meccanismo di interferenza causato dalla capacità reciproca nel circuito:

> Quando l'impulso sulla linea di interferenza raggiunge il condensatore, un impulso stretto sarà accoppiato alla linea interferente attraverso il condensatore.

>L'ampiezza dell'impulso accoppiato è determinata dalla dimensione della capacità reciproca.

>Poi, l'impulso accoppiato è diviso in due e inizia a propagarsi in due direzioni opposte lungo la linea interferente.

Meccanismo di accoppiamento dell'induttanza o del trasformatore

L'induttanza reciproca nel circuito causerà le seguenti interferenze:

>L'impulso che si propaga sulla linea di interferenza carica la posizione successiva in cui appare il picco corrente.

>Questo tipo di picco di corrente genera un campo magnetico e quindi induce un picco di corrente sulla linea interferente.

>Il trasformatore produrrà due picchi di tensione di polarità opposta sulla linea interferita: il picco negativo si propaga nella direzione in avanti e il picco positivo si propaga nella direzione inversa.

inverso crosstalk

La tensione di accoppiamento capacitivo e induttivo crosstalk causata dal modello sopra produrrà un effetto additivo nella posizione crosstalk della linea interferente. Il crosstalk inverso risultante include le seguenti caratteristiche:

> Reverse crosstalk è la somma di due impulsi della stessa polarità.

>Poiché la posizione crosstalk si propaga lungo il bordo dell'impulso di interferenza, l'interferenza inversa appare come un segnale di impulso ampio e basso livello all'estremità della sorgente della linea interferente e c'è una relazione corrispondente tra la sua larghezza e la lunghezza della traccia.

> L'ampiezza del crosstalk riflesso è indipendente dal tempo di aumento dell'impulso della linea di interferenza, ma dipende dal valore di impedenza reciproca.

crosstalk in avanti

È necessario ribadire che la tensione di accoppiamento capacitivo e induttivo crosstalk si accumula nella posizione crosstalk della linea interferente. Il crosstalk in avanti include le seguenti caratteristiche:

> Il crosstalk in avanti è la somma di due impulsi di polarità inversa. Poiché la polarità è opposta, il risultato dipende dal valore relativo della capacità e dell'induttanza.

>Il crosstalk in avanti appare alla fine della linea interferente come un picco stretto con una larghezza pari al tempo di salita dell'impulso di interferenza.

> Il crosstalk in avanti dipende dal tempo di aumento dell'impulso di interferenza. Più veloce è il bordo ascendente, maggiore è l'ampiezza e più stretta è la larghezza.

>L'ampiezza del crosstalk in avanti dipende anche dalla lunghezza della coppia: poiché la posizione del crosstalk si propaga lungo il bordo dell'impulso di interferenza, l'impulso crosstalk in avanti sulla linea interferita guadagnerà più energia.

Caratterizzazione delle conversazioni incrociate

Questa sezione utilizzerà diversi esempi di misurazione PCB monostrato per studiare il meccanismo di generazione del crosstalk e i diversi tipi di crosstalk introdotti sopra.

Nota: Per familiarizzare con i problemi di crosstalk e le conseguenze sui PCB multistrato e sui loro piani di terra, leggere i riferimenti o altre risorse alla fine di questo articolo.

Strumenti e impostazioni

Per misurare efficacemente il crosstalk in laboratorio, è necessario utilizzare un oscilloscopio a banda larga con una larghezza di banda di misura di 20 GHz e un generatore di impulsi di alta qualità dovrebbe emettere un impulso con un tempo di salita pari al tempo di salita dell'oscilloscopio per guidare il circuito in prova. Allo stesso tempo, cavi di alta qualità, resistenze di terminazione e adattatori vengono utilizzati per collegare il PCB in prova.

Il modulo di campionamento elettronico 80E04 è installato nella serie di strumenti Tektronix 8000B, che è una combinazione di strumenti ideale per misurare con successo il crosstalk. 80E04 è un modulo di campionamento a doppio canale, compreso un generatore di tensione passo TDR, che può generare un impulso stretto 250mv con un tempo di aumento di 17ps e uscita con un'impedenza di sorgente di 50 ohm. Il tester deve solo collegare il PCB per essere testato.

Misurazione trasversale in avanti

Se si sta misurando solo crosstalk in avanti, è necessario terminare tutte le tracce per eliminare i riflessi. Il crosstalk in avanti deve essere misurato alla fine di un cavo interferente ben terminato.

Se l'induttanza reciproca è maggiore del crosstalk dell'accoppiamento di capacità reciproca, allora l'impulso crosstalk dovrebbe essere negativo al bordo ascendente dell'impulso di interferenza e la larghezza è uguale al tempo di salita dell'impulso di interferenza. Lo strumento nella figura mostra un impulso negativo (C4) con un'ampiezza di 48,45 mV. L'ampiezza dell'impulso di interferenza è di 250 mV e l'ampiezza della crosstalk è di quasi 50 mV, quindi il bordo veloce dell'impulso di interferenza produce il 20% della crosstalk sulla linea interferente.

Poiché la tensione di passo in ingresso da 80E04 ha un bordo molto veloce durante la misurazione, il crosstalk ottenuto è troppo grande e non può rappresentare il segnale di guida nel circuito logico reale. Ad esempio, se il segnale di guida proviene da un gate CMOS da 1,5 ns, l'impulso crosstalk generato è più ampio e ha una minore ampiezza. Per far sì che la misura rifletta questa situazione, è possibile utilizzare la funzione Definisci matematica dello strumento per aggiungere un filtro passa basso dopo che il segnale è stato catturato. La forma d'onda M1 (bianca) nella figura 7 fornisce i risultati misurati dopo il filtraggio. Va notato che M1 è 10 volte più sensibile in direzione verticale rispetto alla forma d'onda non filtrata.

Sebbene l'analisi matematica abbia dimostrato che l'effetto del filtraggio passa-basso dopo l'acquisizione del segnale è lo stesso di quello del filtraggio fisico degli impulsi di interferenza collegati alla linea, i seguenti passaggi sono più convincenti:

> Misura il crosstalk causato da due bordi in salita, uno veloce e uno lento e lo stesso impulso di interferenza di ampiezza,

> Quindi cambiare il crosstalk causato dall'impulso di interferenza con il bordo in aumento veloce alla crosstalk causata dall'impulso di interferenza con il bordo in aumento lento attraverso il filtro passa basso e infine controllare il risultato.

>$waveform (R2) è l'impulso di interferenza del bordo lento e la forma d'onda rossa (R3) è la crosstalk causata da esso.

> La forma d'onda verde è l'impulso TDR del bordo veloce (R1), e la forma d'onda bianca (R4) è il crosstalk causato da esso.

> La forma d'onda blu è la forma d'onda ottenuta rallentando il bordo ascendente dell'impulso dopo aver filtrato la forma d'onda bianca, e rappresenta il risultato del post-filtraggio della crosstalk. Le forme d'onda crosstalk rosse e blu mostrate nella figura sono visualizzate sulla stessa scala di tensione.

Quando una singola misura di crosstalk inverso, è necessario terminare la linea di interferenza e la linea interferente con una resistenza di 50 ohm per eliminare la riflessione. La misurazione deve essere effettuata all'estremità sinistra della linea interferente. L'ampiezza dell'impulso riflesso è molto bassa e la larghezza è il doppio della lunghezza della linea, perché il crosstalk alla fine della traccia deve essere trasmesso all'estremità sorgente della traccia. Nella misura del crosstalk inverso, il crosstalk generato dall'impulso di interferenza del bordo veloce è circa?? mV, che equivale al 4% dell'ampiezza dell'impulso di interferenza. L'ampiezza del crosstalk inverso non ha nulla a che fare con il tempo di aumento dell'impulso di interferenza. Le due forme d'onda seguenti sono la crosstalk generata dall'impulso slow-edge e la crosstalk generata dall'impulso fast-edge dopo il filtraggio. Le loro ampiezze sono entrambe di 6,5 mV. La differenza tra la lunghezza della traccia e il tempo di aumento dell'impulso di interferenza rende l'ampiezza crosstalk inversa generata dall'impulso slow-edge più piccola.

Poiché il tempo di aumento dell'impulso di interferenza è più lungo della lunghezza della linea della traccia in questo momento, il bordo dell'impulso non ha raggiunto il picco dell'ampiezza quando viene trasmesso all'estremità sorgente della traccia lungo la direzione della traccia. La figura 11 mostra i risultati della misurazione crosstalk ottenuti quando un generatore di tempo di salita 200 ps (DG2040) e l'uscita del generatore di 17 ps del modulo di campionamento 80E04 sono utilizzati come impulsi di interferenza. Le tre forme d'onda crosstalk mostrate nella figura utilizzano tutte una scala di tensione di 5 mV/div.

Tra questi, la forma d'onda bianca è il risultato della crosstalk generata dall'impulso di interferenza con un tempo di salita di 17 ps dopo essere stata filtrata (post filtraggio) ad un tempo di salita di 200 ps. Queste misurazioni hanno confermato che, a meno che il tempo di salita dell'impulso di interferenza non superi la lunghezza della traccia, il tempo di salita non influisce sulla crosstalk inversa. E se il tempo di aumento dell'impulso di interferenza supera la lunghezza della traccia, l'ampiezza del crosstalk inverso generata è più piccola, perché in questo caso il bordo dell'impulso non può raggiungere l'ampiezza del picco anche dopo che il bordo dell'impulso attraversa l'intera traccia.