PCB Tecnico - Segnale di comunicazione tra strati PCB

Prendiamo l'ESD come esempio

Corrente del segnale nella conversione dei livelli

Abstract: I circuiti stampati, i PCB e i percorsi del segnale devono spesso cambiare gli strati nello stack della scheda. In alcuni casi, questo può causare problemi. Gli esempi ESD sono utilizzati per illustrare le condizioni in cui cambiare strato può causare problemi.

Percorso del segnale attraverso via

Discussione: Il percorso di routing nel PCB di solito richiede la modifica del percorso dei livelli per completare il layout. Per un PCB a quattro strati, questo di solito significa passare dallo strato superiore del circuito stampato allo strato inferiore e i due strati medi sono potenza e terra. I pannelli a quattro strati sono particolarmente problematici perché la separazione tra i piani di potenza e terra è solitamente relativamente grande rispetto a sei o più strati, circa 30-40 mil.

Nei livelli superiore e inferiore, la corrente del segnale corrisponde alla sua corrente di ritorno speculare nel vicino piano di terra o di potenza. Poiché la corrente del segnale cambia livelli dall'alto verso il basso, possono verificarsi danni che influiscono sulle prestazioni ESD.

Tutti i segnali formano un loop, dalla sorgente al caricamento, e di nuovo alla sorgente. Di solito è la parte "ritorno" del percorso che ci mette nei guai, come vedremo in questo caso particolare. La corrente di ritorno del segnale nella parte inferiore della superficie inferiore segue il segnale alla parte superiore della superficie inferiore, ma deve passare attraverso l'impedenza inter-superficie per raggiungere il fondo della superficie superiore, da dove può seguire il segnale alla parte superiore della superficie superiore.

Scheda di prova con percorsi monostrato e a due strati

Un modo per considerare l'impedenza Z è pensare ai due piani come a una linea di trasmissione bidimensionale che si estende dal segnale via. I condensatori bypass formano "cortocircuiti" a bassa impedenza (anche se i cortocircuiti non sono così buoni a frequenze abbastanza elevate perché la loro induttanza diventa importante) e i bordi del circuito sono solitamente "circuiti aperti" non definiti. Queste e altre caratteristiche possono causare riflessi, facendo variare significativamente l'impedenza tra i piani con frequenza, e per una scheda a quattro strati con una spaziatura piana di circa 30 mil, può raggiungere diversi ohm a determinate frequenze. La legge di Murphy dice che un picco di questa impedenza sarà alla terza armonica della frequenza dell'orologio!

Per valutare questo effetto, ho costruito una scheda di prova come mostrato nella Figura 2. Ogni traccia di segnale è lunga circa 30 cm. Il cablaggio è costituito da un conduttore telefonico twisted-pair da 100 ohm. Quando è collegato al piano di terra, forma un percorso di 50 ohm. La scheda è un doppio laminato rivestito di rame e l'intero assemblaggio simula un PWB a quattro strati. I due piani di rame distano circa 30 mil e sono accorciati insieme tramite il connettore SMA a sinistra e la resistenza di carico (quattro posizioni) a destra. Un percorso rimane da un lato, mentre l'altro percorso penetra nel circuito e corre circa 10 cm dall'altro lato.

Scheda di prova con percorsi monostrato e a due strati

Il circuito stampato è sottoposto a scarica di contatto ESD da 3 kV, dal simulatore ESD all'estremità di un cavo di 1 metro, che è fissato sul piano mostrato nella figura 2 vicino al centro del bordo destro e la metà del bordo sinistro è collegata al terreno per scaricare la carica dalla scheda.

EMI generato da ESD al percorso del primo livello

Ad esempio, il segnale apparente al connettore SMA del percorso sottostante, il segnale cambia livelli dall'alto verso il basso del circuito stampato e poi indietro. In questo caso, il segnale di picco al connettore SMA supera il picco di 2 volt e oscilla alla frequenza naturale del componente. Per la maggior parte dei circuiti logici, questo livello è sicuramente un problema. L'aumento del rumore nel percorso inferiore è dovuto alla caduta di tensione attraverso l'impedenza Z della scheda causata da ESD ad ogni passaggio da un lato all'altro della scheda. Questa tensione appare nel circuito segnale/ritorno e quindi appare sul connettore SMA.

Segnale al connettore SMA

EMI generato da ESD sul percorso a due livelli

Nel caso in cui la distanza tra le schede è molto inferiore a 30 mil, l'impedenza tra le schede sarà solitamente inferiore e l'effetto mostrato nella Figura 4 sarà più piccolo e ci saranno meno problemi. Se il segnale critico passa dalla parte superiore del circuito vicino al condensatore di bypass esistente (a basso costo) al fondo, l'impatto sul circuito a quattro strati può anche essere minimizzato.

Riassunto: La conversione tra strati PWB può causare danni significativi al percorso del segnale. Maggiore è la distanza tra l'alimentazione elettrica e il piano di terra, maggiore è l'impatto. Un esempio di PWB "a quattro strati" che risponde all'ESD mostra uno dei possibili problemi.