PCB Tecnico - La progettazione PCB controlla il crosstalk digitale del sistema?

1. Qual è la causa del crosstalk?

Quando un segnale si propaga lungo il cablaggio PCB, le sue onde elettromagnetiche si propagano anche lungo il cablaggio, da un'estremità del chip del circuito integrato all'altra estremità della linea. Nel processo di propagazione, le onde elettromagnetiche causano tensioni e correnti transitorie dovute all'induzione elettromagnetica.

Le onde elettromagnetiche includono campi elettrici e magnetici che cambiano nel tempo. Nel PCB, infatti, il campo elettromagnetico non è limitato a vari cablaggi, una parte considerevole dell'energia del campo elettromagnetico esiste al di fuori del cablaggio. Pertanto, se ci sono altre linee nelle vicinanze, quando il segnale si propaga lungo un filo, i suoi campi elettrici e magnetici influenzeranno altre linee. Secondo l'equazione di Maxwell, l'elettricità e i campi magnetici variabili nel tempo faranno sì che i conduttori adiacenti generino tensioni e correnti. Pertanto, il campo elettromagnetico che accompagna il processo di propagazione del segnale causerà linee adiacenti a generare segnali, che portano a crosstalk.

2. Caratteristiche di capacità del crosstalk in avanti

Il crosstalk in avanti si manifesta come due caratteristiche interconnesse: capacitivo e percettivo. Quando il segnale di "invasione" avanza, nella "vittima" viene generato un segnale di tensione con la stessa fase. Questo segnale ha la stessa velocità del segnale "invasione", ma è sempre prima del segnale "invasione". Ciò significa che il segnale crosstalk non si propaga in anticipo, ma sarà accoppiato con più energia alla stessa velocità del segnale di "intrusione".

Poiché il cambiamento del segnale di "intrusione" causa il segnale crosstalk, l'impulso crosstalk anteriore non è unipolare, ma ha polarità sia positive che negative. La durata dell'impulso è uguale al tempo di commutazione del segnale di "intrusione".

La capacità di accoppiamento tra i fili determina l'ampiezza dell'impulso crosstalk in avanti e la capacità di accoppiamento è determinata da molti fattori, come il materiale del PCB, la dimensione geometrica, la posizione dell'incrocio di linea e così via. L'ampiezza è proporzionale alla distanza tra le linee parallele: più lunga è la distanza, maggiore è l'impulso crosstalk. Tuttavia, l'ampiezza dell'impulso crosstalk ha un limite superiore, perché il segnale di "intrusione" perde gradualmente energia, e la "vittima" a sua volta si accoppia all'"invasore".

Caratteristiche di induttanza del crosstalk in avanti

Quando il segnale di "intrusione" si propaga, il suo campo magnetico variabile nel tempo produrrà anche crosstalk: crosstalk in avanti con caratteristiche induttive. Ma il crosstalk percettivo e il crosstalk capacitivo sono ovviamente diversi: la polarità del crosstalk percettivo in avanti è opposta a quella del crosstalk capacitivo in avanti. Questo perché nella direzione in avanti, le parti capacitive e percettive del crosstalk competono e si annullano a vicenda. Infatti, quando il crosstalk capacitivo e percettivo in avanti sono uguali, non c'è crosstalk in avanti.

In molti dispositivi, il crosstalk in avanti è piuttosto piccolo e il crosstalk indietro diventa un problema importante, soprattutto per i circuiti a strisce lunghe, perché l'accoppiamento capacitivo è migliorato. Tuttavia, senza simulazione, è praticamente impossibile sapere in che misura il crosstalk percettivo e capacitivo annullano.

Se hai misurato il crosstalk in avanti, puoi determinare se la traccia è accoppiata capacitivamente o accoppiata induttivamente in base alla sua polarità. Se la polarità del crosstalk è la stessa del segnale di "intrusione", l'accoppiamento capacitivo dominerà, altrimenti l'accoppiamento induttivo dominerà. Nella scheda PCB, l'accoppiamento induttivo è solitamente più forte.

La teoria fisica del crosstalk inverso è la stessa di quella del crosstalk anteriore: i campi elettrici e magnetici variabili nel tempo del segnale di "intrusione" causano segnali percettivi e capacitivi nella "vittima". Ma ci sono anche differenze tra i due.

La differenza più grande è la durata del segnale crosstalk retroattivo. Poiché la direzione di propagazione e la velocità dei segnali crosstalk e "intrusione" in avanti sono le stesse, la durata del crosstalk in avanti è la stessa di quella dei segnali di "intrusione". Tuttavia, il crosstalk all'indietro e il segnale di "intrusione" si propagano nella direzione opposta, rimane indietro rispetto al segnale di "invasione" e provoca un lungo treno di impulsi.

A differenza della crosstalk anteriore, l'ampiezza dell'impulso crosstalk posteriore non ha nulla a che fare con la lunghezza della linea e la sua durata dell'impulso è il doppio del tempo di ritardo del segnale di "intrusione". Perché? Supponiamo di osservare il crosstalk inverso dal punto di partenza del segnale. Quando il segnale di "intrusione" è lontano dal punto di partenza, produce ancora impulsi indietro fino a quando appare un altro segnale ritardato. In questo modo, l'intera durata dell'impulso crosstalk retroattivo è il doppio del tempo di ritardo del segnale di "intrusione".

3. Il riflesso del crosstalk arretrato

Potrebbe non interessarti dell'interferenza tra il chip del driver e il chip del ricevitore. Tuttavia, perché dovrebbe preoccuparsi degli impulsi indietro? Poiché il chip driver è generalmente un'uscita a bassa impedenza, riflette più segnali crosstalk di quanto assorbe. Quando il segnale crosstalk retroattivo raggiunge il chip driver della "vittima", si rifletterà sul chip ricevente. Poiché la resistenza in uscita del chip driver è generalmente inferiore al filo stesso, spesso causa la riflessione del segnale crosstalk.

A differenza del segnale crosstalk in avanti, che ha due caratteristiche: induttivo e capacitivo, il segnale crosstalk indietro ha una sola polarità, quindi il segnale crosstalk indietro non può annullarsi. La polarità del segnale crosstalk retroattivo e del segnale crosstalk dopo riflessione è la stessa del segnale di "intrusione" e la sua ampiezza è la somma delle due parti.

Ricorda, quando misuri l'impulso crosstalk retroattivo all'estremità ricevente della "vittima", questo segnale crosstalk è già stato riflesso dal chip di azionamento "vittima". Si può osservare che la polarità del segnale crosstalk retroattivo è opposta al segnale di "intrusione".

Nel design digitale, spesso ci si preoccupa di alcuni indicatori quantitativi. Ad esempio, non importa come e quando viene generato crosstalk, avanti o indietro, la sua tolleranza massima al rumore è di 150mV. Quindi, c'è un modo semplice per misurare accuratamente il rumore? La risposta semplice è "no", perché l'effetto del campo elettromagnetico è troppo complicato, coinvolgendo una serie di equazioni, la topologia del circuito stampato, le caratteristiche analogiche del chip e così via.

4. Cancellazione delle conversazioni incrociate

Un metodo consiste nel modificare uno o più parametri geometrici che influenzano l'accoppiamento, come la lunghezza della linea, la distanza tra le linee e la posizione stratificata del circuito stampato. Un altro metodo è quello di utilizzare il terminale per cambiare la linea singola in una linea accoppiata multicanale. Con un design ragionevole, il terminale multi-linea può annullare la maggior parte del crosstalk.

5. Lunghezza della linea

Molti designer ritengono che accorciare la lunghezza della linea sia la chiave per ridurre il crosstalk. Infatti, quasi tutti i software di progettazione del circuito forniscono la massima funzione di controllo della lunghezza della linea parallela. Purtroppo, è difficile ridurre il crosstalk solo modificando il valore geometrico.

Poiché il crosstalk in avanti è influenzato dalla lunghezza dell'accoppiamento, quando si accorcia la lunghezza della linea che non ha alcuna relazione di accoppiamento, non c'è quasi alcuna riduzione della crosstalk. Inoltre, se la lunghezza dell'accoppiamento supera il ritardo di caduta o salita del chip del conducente, la relazione lineare tra la lunghezza dell'accoppiamento e la traversa anteriore raggiungerà un valore di saturazione. In questo momento, accorciare la già lunga linea di accoppiamento ha poco effetto sulla riduzione del crosstalk.

6. Difficoltà di isolamento

Non è facile aumentare la distanza tra le linee accoppiate. Se il cablaggio è molto denso, è necessario spendere molto sforzo per ridurre la densità del cablaggio. Se si è preoccupati di interferenze crosstalk, è possibile aggiungere uno o due livelli di isolamento. Se devi espandere la distanza tra linee o reti, allora è meglio avere un software che è facile da usare. La larghezza e lo spessore del circuito influenzano anche l'interferenza crosstalk, ma la sua influenza è molto più piccola del fattore di distanza del circuito. Pertanto, questi due parametri sono generalmente raramente regolati.

Lo spessore del materiale dielettrico influisce sull'interferenza crosstalk su una grande lunghezza. Generalmente, rendendo lo strato di cablaggio vicino allo strato di alimentazione (Vcc o terra) può ridurre le interferenze crosstalk. Il valore esatto dell'effetto di miglioramento deve essere determinato mediante simulazione.

7. Fattori di stratificazione

Alcuni progettisti di PCB ancora non prestano attenzione al metodo di stratificazione, che è un grosso errore nella progettazione di circuiti ad alta velocità. La stratificazione non solo influisce sulle prestazioni della linea di trasmissione, come impedenza, ritardo e accoppiamento, ma anche il funzionamento del circuito è soggetto a malfunzionamenti o addirittura cambiamenti. Ad esempio, è impossibile ridurre l'interferenza crosstalk riducendo lo spessore dielettrico di 5mil, anche se può essere fatto in termini di costo e processo.

8. Armi letali

Sfortunatamente, un tale terminale è costoso e impossibile da raggiungere idealmente, perché l'impedenza di accoppiamento tra alcune linee di trasmissione è troppo piccola, il che causerà una grande corrente a fluire nel chip del driver. L'impedenza tra la linea di trasmissione e terra non può essere troppo grande per guidare il chip. Se questi problemi esistono e si prevede di utilizzare questo tipo di terminale, provare ad aggiungere alcuni condensatori di accoppiamento CA.

Anche se ci sono alcune difficoltà nell'implementazione, il terminale array di impedenza è ancora un'arma letale per affrontare la riflessione del segnale e il crosstalk, soprattutto in condizioni difficili. In altri ambienti, può funzionare o meno, ma è comunque un metodo raccomandato.