PCB Tecnico - Quattro delle linee guida per la progettazione di PCB ad alta velocità: controllo incrociato dei sistemi digitali ad alta velocità

Contenuto: Nei circuiti ad alta frequenza, il crosstalk può essere il più difficile da capire e prevedere, ma può essere controllato o addirittura eliminato.

Con l'aumento della velocità di commutazione, i moderni sistemi digitali hanno incontrato una serie di problemi, come la riflessione del segnale, lo sbiadimento ritardato, il crosstalk e i guasti alla compatibilità elettromagnetica. Quando il tempo di commutazione del circuito integrato scende a 5 nanosecondi o 4 nanosecondi o meno, le caratteristiche intrinseche del circuito stampato stesso iniziano ad apparire. Purtroppo, queste caratteristiche sono dannose e dovrebbero essere evitate il più possibile durante il processo di progettazione. Nei circuiti ad alta frequenza, il crosstalk può essere il più difficile da capire e prevedere, ma può essere controllato o addirittura eliminato.

1. Che cosa provoca crosstalk?

Quando il segnale si propaga lungo il cablaggio del circuito stampato, la sua onda elettromagnetica si propaga 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 circuito stampato, infatti, il campo elettromagnetico non si limita 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.

Nei circuiti stampati, le linee che causano crosstalk sono spesso chiamate "intrusi". La linea soggetta a interferenze crosstalk è solitamente chiamata "vittima". Il segnale crosstalk in qualsiasi "vittima" può essere diviso in segnale crosstalk in avanti e segnale crosstalk indietro, questi due segnali sono in parte causati dall'accoppiamento capacitivo e dall'accoppiamento induttivo. La descrizione matematica del segnale crosstalk è molto complicata, ma, come una barca ad alta velocità sul lago, alcune caratteristiche quantitative dei segnali crosstalk avanti e indietro possono ancora essere comprese dalle persone.

Le barche ad alta velocità hanno due effetti sull'acqua. In primo luogo, il motoscafo solleva onde sulla prua, e le increspature ad arco sembrano muoversi in avanti con il motoscafo; In secondo luogo, quando il motoscafo viaggia per un certo periodo di tempo, lascerà lunghe tracce d'acqua alle spalle.

Questo è molto simile alla reazione della "vittima" quando il segnale passa attraverso l'"intruso". Ci sono due tipi di segnali crosstalk nella "vittima": il segnale avanti prima del segnale di intrusione, come l'acqua e le increspature sulla prua della nave; il segnale di retromarcia, che si trova dietro il segnale di intrusione, come la pista d'acqua nel lago dopo che la nave salpa via. .

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 della 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 circuito stampato, la dimensione geometrica, la posizione dell'incrocio della linea e così via. L'ampiezza è proporzionale alla distanza tra le linee parallele: più lunga la distanza, Maggiore è il battito incrociato. Tuttavia, c'è un limite superiore all'ampiezza dell'impulso crosstalk, 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 crosstalk è la stessa del segnale di "intrusione", l'accoppiamento capacitivo dominerà, altrimenti l'accoppiamento induttivo dominerà. Nei circuiti stampati, 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. 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.

Un metodo ragionevole è quello di espandere la distanza tra le linee accoppiate. In quasi tutti i casi, separare le linee accoppiate può ridurre notevolmente le interferenze crosstalk. La pratica ha dimostrato che l'ampiezza del crosstalk inverso è approssimativamente inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra le linee accoppiate, cioè, se si raddoppia la distanza, la crosstalk sarà ridotta di tre quarti. Questo effetto è più pronunciato quando il crosstalk inverso è dominante.

5. Cancellazione delle conversazioni incrociate

Da un punto di vista pratico, la questione più importante è come rimuovere il crosstalk. Cosa fare quando il crosstalk influisce sulle caratteristiche del circuito?

È possibile adottare le seguenti due strategie. 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.

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.

Poiché il materiale isolante del circuito stampato ha una costante dielettrica, genererà anche la capacità di accoppiamento tra le linee, quindi riducendo la costante dielettrica può anche ridurre l'interferenza crosstalk. Questo effetto non è molto evidente, soprattutto la parte del circuito microtrip del dielettrico è già aria. Ancora più importante, cambiare la costante dielettrica non è così facile, soprattutto in attrezzature costose. Una soluzione alternativa è quella di utilizzare materiali più costosi invece di FR-4.

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 circuiti stampati 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.

Un altro fattore che è facile da trascurare è la scelta degli strati. In molti casi, il crosstalk in avanti è la principale interferenza crosstalk nei circuiti microstrip. Tuttavia, se il design è ragionevole, lo strato di cablaggio si trova tra i due strati di potenza, in modo che l'accoppiamento capacitivo e l'accoppiamento induttivo siano ben bilanciati e il crosstalk inverso con un'ampiezza inferiore diventa il fattore principale. Pertanto, è necessario prestare attenzione a che tipo di interferenza crosstalk domina durante la simulazione.

La relazione di posizione tra il cablaggio e il chip influisce anche sul crosstalk. Poiché il crosstalk retroattivo raggiunge il chip ricevente e si riflette sul chip driver, la posizione e le prestazioni del chip driver sono molto importanti. A causa della complessità della topologia, delle riflessioni e di altri fattori, è difficile spiegare chi è maggiormente interessato dal crosstalk. Se ci sono più strutture topologiche tra cui scegliere, è meglio usare la simulazione per determinare quale struttura ha il minor impatto sul crosstalk.

Un fattore non geometrico che può ridurre il crosstalk sono gli indicatori tecnici del chip del driver stesso. Il principio generale è quello di scegliere un chip driver con un tempo di commutazione lungo per ridurre le interferenze crosstalk (lo stesso vale per risolvere molti altri problemi causati dall'alta velocità). Anche se il crosstalk non è strettamente proporzionale al tempo di commutazione, ridurre il tempo di commutazione avrà comunque un impatto significativo. In molti casi, non è possibile scegliere la tecnologia chip driver, è possibile modificare solo i parametri geometrici per raggiungere il vostro obiettivo. Ridurre la conversazione incrociata attraverso il terminale

Come tutti sappiamo, un terminale indipendente e disaccoppiato della linea di trasmissione è collegato per abbinare l'impedenza, non produrrà riflessione. Consideriamo ora una serie di linee di trasmissione accoppiate, ad esempio tre linee di trasmissione con crosstalk tra loro, o una coppia di linee di trasmissione accoppiate. Se si utilizza un software di analisi del circuito, è possibile ricavare una coppia di matrici, che rappresentano la linea di trasmissione stessa e la capacità e l'induttanza tra loro. Ad esempio, tre linee di trasmissione possono avere le seguenti matrici C e L:

In queste matrici, gli elementi diagonali sono i valori delle linee di trasmissione stesse, e gli elementi fuori diagonali sono i valori tra le linee di trasmissione. (Si noti che sono espressi in pF e nH per unità di lunghezza). Un sofisticato tester di campo elettromagnetico può essere utilizzato per determinare questi valori.

Si può vedere che ogni gruppo di linee di trasmissione ha anche una matrice di impedenza caratteristica. In questa matrice Z0, l'elemento diagonale rappresenta il valore di impedenza della linea di trasmissione al suolo e l'elemento fuori diagonale è il valore di accoppiamento della linea di trasmissione.

Per un gruppo di linee di trasmissione, simile ad una singola linea di trasmissione, se il terminale è una matrice di impedenza abbinata a Z0, la sua matrice è quasi la stessa. L'impedenza richiesta non deve essere il valore in Z0, finché la rete di impedenza formata corrisponde a Z0. La matrice di impedenza comprende non solo l'impedenza della linea di trasmissione a terra, ma anche l'impedenza tra le linee di trasmissione.

Una tale matrice di impedenza ha buone proprietà. In primo luogo, può impedire il riflesso di crosstalk in linee disaccoppiate. Ancora più importante, può eliminare il crosstalk che si è formato.

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.