PCB Tecnico - Analisi crosstalk PCB ad alta velocità e sua minimizzazione

1 Introduzione

Con la crescente complessità e le prestazioni dei prodotti elettronici, la densità dei circuiti stampati e la frequenza dei relativi dispositivi sono in costante aumento. Mantenere e migliorare la velocità e le prestazioni del sistema è diventato un problema importante per i progettisti. La frequenza del segnale diventa più alta, i bordi diventano più ripidi, le dimensioni del circuito stampato diventano più piccole e la densità di cablaggio aumenta, ecc., il che aumenta significativamente l'influenza del crosstalk nella progettazione PCB ad alta velocità. Il problema del crosstalk esiste oggettivamente, ma superare un certo limite può causare un falso innesco del circuito e causare il malfunzionamento del sistema. Il progettista deve comprendere il meccanismo del crosstalk e applicare metodi appropriati nella progettazione per ridurre al minimo gli effetti negativi del crosstalk.

2. La generazione e la tendenza mutevole del segnale digitale ad alta frequenza crosstalk

Crosstalk si riferisce al segnale indesiderato di tensione di rumore generato dall'accoppiamento reciproco di campi elettromagnetici tra segnali adiacenti quando il segnale si propaga sulla linea di trasmissione, cioè l'energia è accoppiata da una linea all'altra.

Come mostrato nella Figura 1, per facilitare l'analisi, descriviamo il modello crosstalk di due linee di trasmissione adiacenti secondo il modello discreto equivalente. L'impedenza caratteristica delle linee di trasmissione AB e CD è Z0, e il terminale corrispondente resistenza R=Z0. Se la sorgente motrice al punto A è la sorgente di interferenza, la rete metallica tra A e B è chiamata linea Aggressor e la rete metallica tra C e D è chiamata linea Vittim, che viene interferita. Il crosstalk vicino all'estremità motrice della rete sorgente di interferenza è chiamato crosstalk near-end (detto anche crosstalk retroattivo), e il crosstalk vicino all'estremità ricevente della rete sorgente di interferenza è chiamato crosstalk far-end (detto anche crosstalk forward). Il crosstalk deriva principalmente dall'induttanza reciproca Lm e dalla capacità reciproca Cm formata tra due conduttori adiacenti.

2.1 Accoppiamento induttivo

Nella Figura 1, considerare in primo luogo solo l'accoppiamento induttivo causato dall'induttanza reciproca Lm. Il campo magnetico del segnale trasmesso sulla linea da A a B induce una tensione sulla linea da C a D. L'accoppiamento magnetico agisce come un trasformatore. Poiché si tratta di una linea di trasmissione distribuita, l'induttanza reciproca diventa anche una serie di trasformatori distribuiti in due linee di trasmissione parallele adiacenti. Quando un segnale di passo di tensione si sposta da A a B, ogni trasformatore distribuito sulla linea di interferenza induce sequenzialmente un picco di interferenza a comparire sulla rete interferente. Il rumore di tensione sovrapposto dall'induttanza reciproca sulla rete interferente è proporzionale al cambiamento della corrente di azionamento sulla rete interferente. La formula di calcolo del rumore generato dall'induttanza reciproca è

Vale la pena notare che la polarità dell'accoppiamento di induttanza reciproca di ogni sezione del trasformatore di accoppiamento è diversa. L'energia di interferenza indotta alla rete interferente è avanti e indietro in sequenza, ma la polarità è opposta, andando a C e C e rispettivamente lungo la linea di trasmissione CD. Andare al punto D.

Come mostrato nella Figura 2, l'energia di interferenza in avanti nella direzione di C è proporzionale alla tensione incidente e ad ogni componente di induttanza reciproca Lm. Poiché tutta l'energia di interferenza in avanti raggiunge il punto C quasi contemporaneamente, l'energia di interferenza in avanti e l'induttanza reciproca delle due linee di trasmissione L'importo totale è proporzionale, più lunga è la lunghezza parallela della linea di trasmissione, maggiore è la quantità totale di induttanza reciproca generata e aumenta anche l'energia di interferenza in avanti; Tuttavia, l'energia di interferenza inversa verso il punto D è diversa dall'energia di interferenza anteriore verso il punto C Sì, anche se l'area di accoppiamento totale dei due è la stessa, la componente di interferenza indotta da ogni trasformatore di induttanza reciproca raggiunge D in sequenza e il tempo effettivo dell'energia di interferenza inversa è lungo quanto 2Tp (Tp è il ritardo di propagazione). Con l'estensione della lunghezza parallela (cioè l'aumento dell'induttanza reciproca), la grandezza del crosstalk arretrato non cambierà, ma la durata aumenterà.

2.2 Accoppiamento capacitivo

La capacità reciproca è un altro meccanismo che produce crosstalk. La capacità reciproca Cm produrrà una corrente indotta sulla rete interferente. Questa corrente è proporzionale alla velocità di cambiamento della tensione sulla rete di interferenza. La formula di calcolo del rumore generata dalla capacità reciproca Cm è:

Il meccanismo di accoppiamento del condensatore di accoppiamento distribuito è simile a quello dell'accoppiamento induttivo distribuito, la differenza sta nella polarità dell'accoppiamento. Come mostrato nella Figura 3, le polarità dell'energia di interferenza avanti e indietro dell'accoppiamento capacitivo reciproco sono entrambe positive.

2.3 L'effetto combinato dell'induttanza reciproca e della capacità reciproca

Generalmente, il crosstalk capacitivo e il crosstalk induttivo si verificano contemporaneamente. Dalla letteratura [1], si possono ottenere le formule di calcolo della crosstalk totale rispettivamente del vicino e dell'estremo, che sono sovrapposte rispettivamente dall'accoppiamento capacitivo e dall'accoppiamento induttivo.

Il rumore totale del crosstalk near-end è:

Il rumore totale di crosstalk è:

Tra questi, Z0, C, l, Cm, Lm, L e V0 sono l'impedenza caratteristica della linea di trasmissione, la capacità per unità di lunghezza, l'induttanza per unità di lunghezza, la capacità di accoppiamento e l'induttanza di accoppiamento tra le due linee di trasmissione, la lunghezza parallela delle due linee di trasmissione e il valore di picco di tensione.

Dalle due formule di cui sopra, possiamo vedere che il rumore totale del crosstalk estremo è sottratto reciprocamente a causa della relazione di polarità dell'accoppiamento capacitivo e induttivo, cioè, il crosstalk estremo può essere eliminato. Nel layout PCB, il circuito stripline può mostrare un buon equilibrio tra accoppiamento induttivo e capacitivo e la sua energia di accoppiamento anteriore è molto piccola; Per la linea microstrip (Microstfip), il campo elettrico relativo al crosstalk è grande Parte del passaggio è aria, non altri materiali isolanti, quindi il crosstalk capacitivo è più piccolo del crosstalk induttivo, con conseguente un piccolo numero negativo per l'accoppiamento anteriore. Questo è il motivo per cui l'interferenza del crosstalk estremo viene spesso ignorata nel design usuale e il miglioramento del crosstalk vicino è enfatizzato.

Nella progettazione effettiva, i parametri pertinenti del PCB (come spessore, costante dielettrica, ecc.), così come la lunghezza della linea, la larghezza della linea, la spaziatura della linea, la posizione della linea di trasmissione e il piano di terra e la direzione corrente del flusso influenzeranno c, l, Cm, Lm, L, La dimensione è determinata dalla frequenza del segnale e dal tempo di salita / caduta del dispositivo.

Qui non faremo un'analisi quantitativa dell'influenza di questi parametri sul crosstalk. Per la relazione tra questi parametri e il grado di influenza sul crosstalk, fare riferimento ad altri riferimenti pertinenti per i dettagli.

2.4 L'evoluzione delle conversazioni incrociate

L'ampiezza dell'induttanza reciproca e della capacità reciproca influisce sull'ampiezza del crosstalk, cambiando in modo equivalente l'impedenza caratteristica e la velocità di propagazione della linea di trasmissione. Allo stesso modo, la geometria della linea di trasmissione influenza ampiamente i cambiamenti nell'induttanza reciproca e nella capacità reciproca, quindi l'impedenza caratteristica della linea di trasmissione stessa ha anche un impatto su questi parametri. Nello stesso mezzo, l'accoppiamento tra una linea di trasmissione a impedenza relativamente bassa e il piano di riferimento (piano di terra) è più forte e l'accoppiamento tra la linea di trasmissione a impedenza relativamente bassa e la linea di trasmissione adiacente sarà più debole, quindi la linea di trasmissione a bassa impedenza ha un cambiamento di impedenza più piccolo causato dal crosstalk.

3 Diversi effetti causati dal crosstalk

Nella progettazione PCB ad alta velocità e ad alta densità, viene generalmente fornito un piano di terra completo, in modo che ogni linea di segnale fondamentalmente interagisca solo con la sua linea di segnale più vicina e l'accoppiamento incrociato da altre linee di segnale distanti è trascurabile. Tuttavia, in un sistema analogico, quando segnali ad alta potenza passano attraverso segnali di ingresso di basso livello o quando componenti con tensioni di segnale più elevate (come TTL) sono vicini a componenti con tensioni di segnale inferiori (come ECL), è necessaria una resistenza molto elevata. Capacità di conversazione incrociata. Nella progettazione PCB, se non gestita correttamente, il crosstalk ha i seguenti due effetti tipici sull'integrità del segnale dei PCB ad alta velocità.

3.1 Falso innesco causato da crosstalk

Il crosstalk del segnale è una parte importante dei problemi di integrità del segnale affrontati dalla progettazione ad alta velocità. L'errore funzionale dei circuiti digitali causato dal crosstalk è il più comune.

La Figura 4 è una trasmissione tipica della logica di errore nelle reti adiacenti causata da impulsi crosstalk. Il segnale trasmesso sulla rete sorgente di interferenza passa attraverso il condensatore di accoppiamento, causando un impulso di rumore sulla rete interferente e sull'estremità ricevente, con conseguente invio di un impulso indesiderato all'estremità ricevente. Se l'intensità di questo impulso supera il valore di trigger dell'estremità ricevente, verrà generato un impulso trigger incontrollabile, causando confusione nella funzione logica della rete di livello successivo.

3.2 Ritardo temporale causato da crosstalk

Nel design digitale, la questione dei tempi è una considerazione importante. La figura 5 mostra i problemi di temporizzazione causati dal rumore crosstalk. La parte inferiore della figura sono i due tipi di impulsi di rumore generati dalla rete sorgente di interferenza (Helpful Figura 5 Delay glitch e Unhelpful glitch causato dal rumore crosstalk). Quando l'impulso di rumore (utile glitch) è sovrapposto alla rete interferente, causerà la trasmissione del segnale di rete interferente. Il ritardo è ridotto; Allo stesso modo, quando l'impulso di rumore (Unhelpful glitch) è sovrapposto alla rete interferente, aumenta il ritardo del normale segnale di trasmissione della rete interferente. Sebbene questo tipo di rumore crosstalk che riduce il ritardo di trasmissione della rete sia utile per migliorare la tempistica PCB, nella progettazione PCB effettiva, a causa dell'incertezza della rete sorgente di interferenza, questo ritardo è incontrollabile, quindi questo tipo di crosstalk Il ritardo causato deve essere soppresso.

4. Minimizza le conversazioni incrociate

Il crosstalk è onnipresente nella progettazione PCB ad alta velocità e ad alta densità e l'impatto del crosstalk sul sistema è generalmente negativo. Per ridurre il crosstalk, la cosa più fondamentale è rendere il più piccolo possibile l'accoppiamento tra la rete sorgente di interferenza e la rete interferente. È impossibile evitare completamente il crosstalk nella progettazione PCB ad alta densità e complessa. Tuttavia, nella progettazione del sistema, il progettista dovrebbe scegliere un metodo appropriato per ridurre al minimo il crosstalk senza influenzare altre prestazioni del sistema. In combinazione con l'analisi di cui sopra, la soluzione al problema crosstalk è considerata principalmente dai seguenti aspetti:

Se le condizioni di cablaggio lo consentono, aumentare il più possibile la distanza tra le linee di trasmissione; o ridurre il più possibile la lunghezza parallela tra linee di trasmissione adiacenti (lunghezza parallela cumulativa), ed è meglio instradare le linee tra diversi strati.

Lo strato di segnale (senza isolamento planare) dei due strati adiacenti dovrebbe essere perpendicolare alla direzione di instradamento e cercare di evitare instradamento parallelo per ridurre la conversazione incrociata tra i livelli.

Nel caso di garantire la temporizzazione del segnale, cercare di scegliere dispositivi con bassa velocità di conversione il più possibile per rallentare la velocità di cambiamento del campo elettrico e del campo magnetico, riducendo così la conversazione incrociata.

Nella progettazione della pila, a condizione di soddisfare l'impedenza caratteristica, lo strato dielettrico tra lo strato di cablaggio e il piano di riferimento (potenza o piano di terra) deve essere reso il più sottile possibile, aumentando così l'accoppiamento tra la linea di trasmissione e il piano di riferimento e riducendo l'accoppiamento adiacente delle linee di trasmissione.

Poiché lo strato superficiale ha un solo piano di riferimento, l'accoppiamento di campo elettrico del cablaggio dello strato superficiale è più forte di quello dello strato medio, quindi le linee di segnale che sono più sensibili al crosstalk dovrebbero essere posizionate nello strato interno il più possibile.

Attraverso la terminazione, l'impedenza dei terminali lontani e vicini della linea di trasmissione può essere abbinata a quella della linea di trasmissione, che può ridurre notevolmente l'ampiezza del crosstalk.

5. Osservazioni conclusive

La progettazione del sistema digitale è entrata in una nuova fase. Molti problemi di progettazione ad alta velocità che prima erano di secondaria importanza hanno ora un impatto critico sulle prestazioni del sistema. Problemi di integrità del segnale, tra cui il crosstalk, hanno portato cambiamenti nei concetti di progettazione, nei processi di progettazione e nei metodi di progettazione. Di fronte alle nuove sfide, la cosa più importante per il rumore crosstalk è scoprire quelle reti che hanno un impatto reale sul normale funzionamento del sistema, invece di sopprimere ciecamente il rumore crosstalk su tutte le reti. Questo è anche in linea con risorse limitate di cablaggio. contraddittorio. Il crosstalk discusso in questo articolo è di grande importanza per risolvere il problema crosstalk nella progettazione di circuiti ad alta velocità e ad alta densità.