PCBニュース - PCB時間領域クロストーク測定法

時間領域クロストーク測定法 PCB品質 verification
Analysis of time-domain crosstalk measurement method for PCB品質 verification
This article discusses the composition of crosstalk and shows readers how to use Tektronix’s TDS8000B series sampling oscilloscope or CSA8000B series communication signal analyzer to measure crosstalk on a single-sided PCB.
通信分野におけるディジタルシステムの高速化, ビデオ, ネットワークとコンピュータ技術, the quality requirements for printed circuit boards (PCBs) in such systems are also getting higher and higher. 初期 PCB設計 信号周波数の増加とパルス立ち上がり時間の減少に直面してシステム性能と作業要件を保証することができなかった. 現在の PCB設計, we need to use transmission line theory to model the PCB and its components (edge コネクタ, マイクロストリップ線路, and component sockets). フォームを完全に理解するだけで, PCBs上のクロストークのメカニズムと結果およびそれらを抑制するために対応する技術を使用することにより、PCBsを含むシステムの信頼性を改善することができる. 本文は主に PCB設計, しかし、私は記事で議論される内容がケーブルとコネクタの特徴づけのような他のアプリケーションも助けると思っています.

漏話の可能な結果

PCB設計者がクロストークを気にかける理由は、クロストークが以下の性能問題を引き起こす可能性があることです。

ノイズレベルが上がります。

有害なスパイクburrs。

データエッジジッタ

予期しないシグナルの反射。

これらの問題のどれが PCB設計 多くの要因に依存する, 基板に用いられる論理回路の特性など, 回路基板の設計, the mode of crosstalk (reverse or forward), そして、干渉ラインおよび干渉ラインは両側の終了条件. 以下の情報は、読者がクロストークの理解と研究を深めるのを助けることができます, これにより、設計上のクロストークの影響を低減する.

クロストークを研究する方法

クロストークを最小化するために PCB設計, 容量性リアクタンスと誘導性リアクタンスのバランスを見つけなければならない, そして、定格インピーダンス値を達成するよう努力する, PCBの製造性は伝送線路インピーダンスがよく制御されることを必要とするので. 回路基板設計後, コンポーネント, connectors, そして、回路上の終了方法は、どのようなクロストークが回路性能に影響を及ぼすかを決定する. 時間領域測定法の使用, by calculating the inflection point frequency and understanding the PCB crosstalk (Crosstalk-on-PCB) model, 設計者はクロストーク解析の境界範囲を設定できる.

時間領域測定法

クロストークを測定し解析するために、周波数スペクトルにおけるクロックの高調波成分とこれらの高調波周波数における最大EMIとの間の関係を観測するために、周波数領域技術を使用することができる。しかし、デジタル信号エッジ（信号レベルの10 %から90 %まで上昇する時間）の時間領域測定は、クロストークの測定および分析の手段であり、また、時間領域測定は、デジタル信号エッジ速度、または立上り時間の変化は、信号中の各周波数成分がどれだけ高いかを直接反映する。したがって、信号エッジによって定義される信号速度（すなわち立上り時間）もクロストークのメカニズムを明らかにするのを助けることができる。上昇時間は、変曲点の周波数を計算するために直接使用することができます。本論文では，クロストークを説明し測定するために立ち上がり時間測定法を用いる。

ニー頻度

デジタルシステムが確実に動作することを保証するために、設計者は、変曲点周波数以下の回路設計の性能を研究し検証する必要がある。デジタル信号の周波数領域解析は、変曲点周波数より高い信号が減衰されることを示し、したがって、クロストークに実質的な影響を与えず、変曲点周波数以下の信号に含まれるエネルギーは、回路の動作に影響を及ぼすのに十分である。変曲点周波数は以下の式で計算する。

フェニー= 0.5 / trise

PCBクロストークモデル

このセクションで与えられたモデルはクロストークの異なる形態の研究のためのプラットフォームを提供し、2つのマイクロストリップ線路間の相互インピーダンスがどのようにしてクロストークを引き起こすかを明らかにする PCBボード.

相互インピーダンスは2つのトレースに沿って一様に分布する。クロストークは、デジタルゲート回路がクロストーク線に立ち上がりエッジを送信したときに生成され、トレースに沿って広がる。

相互キャパシタンスCmと相互インダクタンスLMとの両方またはカップルは、隣接する干渉線に対する電圧を「クロストーク」する。

（2）干渉線上のパルスの立ち上がり時間と等しい幅の狭いパルスの形で干渉縞上に漏話電圧が現れる。

干渉線では、クロストークパルスは2つに分岐し、2つの反対方向に伝搬し始める。これは、クロストークを2つの部分に分割する。すなわち、元の干渉パルス伝搬方向に沿って伝搬する順方向クロストークと、信号源と逆方向に沿って伝搬する逆クロストークとを分ける。

クロストーク式及び結合機構

以上説明したモデルによれば、クロストークの結合機構を以下に説明する。

容量結合機構

回路における相互キャパシタンスに起因する干渉メカニズム

干渉線上のパルスがコンデンサに達すると、狭いパルスがコンデンサを介して干渉されたラインに結合される。

結合されたパルスの振幅は、相互キャパシタンスの大きさによって決定される。

そうすると、結合されたパルスは2に分割されて、干渉されたラインに沿って2つの反対方向に伝播し始める。

インダクタンス/トランスカップリング機構

回路の相互インダクタンスは、以下の干渉を引き起こすでしょう

干渉線上を伝搬するパルスは、電流スパイクが現れる次の位置を充電する。

この種の電流スパイクは磁場を発生し、次に干渉線に電流スパイクを誘導する。

変圧器は、干渉された線上に逆極性の2つの電圧スパイクを生成する。

逆クロストーク

上記モデルに起因する容量性および誘導性結合クロストーク電圧は、干渉されたラインのクロストーク位置における加算効果を生じる。結果として生じる逆クロストークは、以下の特性を含む

逆クロストークは同じ極性の2つのパルスの合計である。

すなわち、クロストーク位置が干渉パルスのエッジに沿って伝搬するので、干渉干渉線のソース端での低レベルの広いパルス信号として逆干渉が現れ、その幅とトレース長との対応関係がある。

反射クロストークの振幅は、干渉線のパルス立ち上がり時間に依存せず、相互インピーダンス値に依存する。

フォワードクロストーク

容量性及び誘導結合クロストーク電圧が干渉線路のクロストーク位置に蓄積されることを繰り返す必要がある。順方向クロストークは、以下の特性を有する。

フォワードクロストークは、2つの逆極性パルスの合計である。極性が反対であるので、結果は静電容量およびインダクタンスの相対値に依存する。

干渉クロストークは干渉パルスの立ち上がり時間に等しい幅の狭いスパイクとして干渉線の端に現れる。

順方向クロストークは干渉パルスの立ち上がり時間に依存する。立ち上がりエッジが速いほど、振幅が高くなり、幅が狭くなる。

クロスクロストークの位置が干渉パルスのエッジに沿って伝搬するとき、干渉されたライン上の順方向クロストークパルスがより多くのエネルギーを得る。

クロストークの特性化

このセクションでは、クロストークの発生メカニズムと上記のクロストークのいくつかのタイプを研究するために、いくつかの単層PCB測定例を使用する。

注意：多層PCBとその地上機に関するクロストークの問題と結果を理解するために、この記事の最後に参照または他のリソースを読んでください。

道具と設定

実験室でのクロストークを効果的に測定するために、測定帯域幅20 GHzの広帯域オシロスコープを使用し、高精度のパルス発生器は、オシロスコープの立ち上がり時間と同じ立ち上がり時間でパルスを出力し、被試験回路を駆動する。同時に、高品質のケーブル、終端抵抗器とアダプタがテスト中のPCBを接続するために使用されます。

80 E 04電子サンプリングモジュールは、成功したクロストークを測定するための理想的な楽器の組み合わせです。80 E 04は、Tpステップ電圧発生器を含むデュアルチャンネルサンプリングモジュールであり、これは、立ち上がり時間が17 psで250 MVの狭いパルスを生成し、50Ωのソースインピーダンスで出力することができる。テスターは、テストされるPCBをつなぐ必要があるだけです。

順方向クロストーク測定

あなただけの前方クロストークを測定している場合は、反射を排除するすべてのトレースを終了する必要があります。前方クロストークは、良好に終端された干渉ワイヤの端部で測定されるべきである。

相互インダクタンスが相互キャパシタンス結合のクロストークよりも大きい場合、干渉パルスの立ち上がりエッジでクロストークパルスは負であり、幅は干渉パルスの立ち上がり時間と等しくなる。図の装置は、振幅48.45 MVの負パルス（C 4）を示す。干渉パルス振幅は250 mVであり、クロストーク振幅は約50 mVであるので、干渉パルスの高速エッジは干渉線上のクロストークの20 %を生成する。

80 E 04からの入力ステップ電圧は測定中に非常に速いエッジを有するので、得られるクロストークは大きすぎて、実際の論理回路の駆動信号を表すことができない。例えば、駆動信号が1.5 nsのCMOSゲートから来た場合、発生したクロストークパルスはより広く、より小さい振幅を有する。測定をこの状況を反映させるために、あなたが信号の後にローパスフィルタを加えるために器具の定義数学機能を使用することができます。図7のM 1波形（白）は、フィルタリング後の測定結果を与える。なお、M 1は非濾過波形よりも垂直方向に10倍敏感である。

数学的解析では、信号捕捉後のローパスフィルタリングの効果は、回線に接続された干渉パルスの物理的フィルタリングの効果と同じであることを証明したが、次のステップはより説得力がある

つの立ち上がりエッジ、1つの高速と1つの低速、および同じ振幅干渉パルスによって引き起こされるクロストークを測定します。

そうすると、干渉パルスによるクロストークを高速立ち上がりエッジで変化させ、低域通過フィルタによる干渉パルスによるクロストークに変化させ、最終的に結果をチェックする。

＞$波形（R 2）は低速エッジ干渉パルスであり、赤色波形（R 3）はそれに起因するクロストークである。

緑色波形は高速エッジTDRパルス（R 1）であり、白色波形（R 4）はそれに起因するクロストークである。

青色波形は、白色波形を濾波した後のパルスの立ち上がりエッジを遅らせた波形であり、クロストークをポストフィルタリングした結果を示す。同図に示す赤及び青色のクロストーク波形は、同じ電圧スケールで表示される。

逆クロストークの1回の測定では、50オームの抵抗器を用いて干渉線と干渉線を終端して反射を除去する必要がある。干渉線の左端に測定する。反射パルスの振幅は非常に低く、幅は2倍の線長である。なぜなら、トレースの端部のクロストークはトレースのソース端に戻されなければならないからである。逆クロストークの測定において、高速エッジ干渉パルスによって発生するクロストークは約？MVは、干渉パルスの振幅の4 %に相当する。逆クロストークの大きさは、干渉パルスの立ち上がり時間とは関係ない。以下の2つの波形は、低速エッジパルスにより発生したクロストークと、フィルタリング後の高速エッジパルスにより発生するクロストークである。振幅は6.5 mvである。干渉パルスのトレース長と立ち上がり時間の差は、遅いエッジパルスにより発生する逆クロストーク振幅を小さくする。

このとき、干渉パルスの立ち上がり時間はトレースの線長より長いため、トレースエッジに沿ってトレースのソース端に戻ると、パルスエッジは振幅のピークに達していない。図11は、200 psの立ち上がり時間発生器（DG 2040）と、80 E 04サンプリングモジュールのYear - Radino 17 ps発生器の出力を干渉パルスとして使用したときのクロストーク測定結果を示す。図に示す3つのクロストーク波形は、全て、5 mV／分の電圧スケールを使用する。

その中で、白色波形は、200 psの立上り時間にフィルタリング（ポストフィルタリング）した後の立ち上がり時間17 psの干渉パルスによって発生したクロストークの結果である。そして、干渉パルスの立ち上がり時間がトレースの長さを超える場合、パルスエッジが全トレースを横断した後でさえ、パルスエッジがピーク振幅に達することができないので、生成される逆クロストーク振幅はより小さい。