PCB技術 - PCB基板設計はディジタルシステムクロストークを制御するか？

1. クロストークの原因は何か?

信号が PCB基板配線,その電磁波も配線に沿って伝搬する, 集積回路チップの一端から線路の他端まで. 伝播の過程で, 電磁波は電磁誘導による過渡電圧と電流を引き起こす.

電磁波は、時間とともに変化する電気および磁界を含む。PCBにおいては、実際には、電磁界は様々な配線に限定されるものではなく、配線外の電磁界エネルギーのかなりの部分が存在する。したがって、他の線が近くにある場合、信号がワイヤに沿って伝搬するとき、その電場および磁場は他の線に影響を及ぼす。マクスウェルの式によれば、時変電力と磁場は、隣接する導体に電圧および電流を発生させる。したがって、信号伝搬プロセスに伴う電磁界は隣接したラインにシグナルを生成させる。そして、それはクロストークに至る。

2.フォワードクロストークの容量特性

双方向クロストークは2つの相互関係特性として現れる。「侵入」信号が進むと、「犠牲者」に同じ位相の電圧信号が発生する。このシグナルは「侵入」信号と同じ速度を持ちます、しかし、それは「侵入」信号の前に常にあります。これは、クロストーク信号が前もって伝搬しないことを意味するが、「侵入」信号と同じ速度でより多くのエネルギーと結合される。

「侵入」信号の変化がクロストーク信号を引き起こすので、順方向クロストークパルスは単極ではなく、正負の極性を有する。パルス持続時間は、「侵入」信号の切り替え時間に等しい。

ワイヤ間の結合容量は、順方向クロストークパルスの振幅を決定し、結合キャパシタンスは、PCB基板の材料、幾何学的サイズ、ライン交差の位置などの多くの要因によって決定される。振幅は平行線間の距離に比例する。距離が長いほどクロストークパルスが大きくなる。しかし、「侵入」信号は徐々にエネルギーを失うので、クロストークパルス振幅は上限を有し、「犠牲者」は順番に「侵入者」に結合する。

3.フォワードクロストークのインダクタンス特性

「侵入」信号が伝播するとき、その時変磁場はクロストークを生じる。しかし、知覚的クロストークと容量性クロストークは明らかに異なる。前方知覚クロストークの極性は前方容量性クロストークのそれと逆である。これは、順方向において、クロストークの容量及び知覚部分が互いに競合して互いに打ち消されるためである。実際、前方容量性および知覚的クロストークが等しいとき、順方向クロストークがない。

多くのデバイスでは、順方向クロストークは非常に小さく、また、容量結合が強化されているので、特に長いストリップ回路基板に対して後方クロストークが大きな問題となる。しかし、シミュレーションなしでは、知覚的および容量性クロストークがどの程度排除されるのかを知ることは実質的に不可能である。

あなたが前方のクロストークを測定したならば, あなたのトレースは、その極性に基づいて容量結合または誘導結合されているかどうかを判断することができます. クロストークの極性が「侵入」信号と同じであるならば, 容量結合が支配する, その他, 誘導結合が支配する.インPCBボード, 誘導結合は通常より強い.

後方クロストークの物理的理論は、順方向クロストークのそれと同じである。「侵入」信号の時変電気及び磁界は、「犠牲者」において知覚的及び容量性信号を引き起こす。しかし、2つの間にも違いがあります。

最大の違いは後方クロストーク信号の持続時間である。順方向クロストークと「侵入」信号の伝搬方向と速度は同じであるので、順方向クロストークの持続時間は「侵入」信号と同じである。しかし、後方クロストークと「侵入」信号は反対方向に伝播し、それは「侵入」信号の遅れになり、パルスの長い列を引き起こす。

前方クロストークとは異なり、後方クロストークパルスの振幅はライン長とは無関係であり、そのパルス持続時間は「侵入」信号の遅延時間の2倍である。なぜ？信号の出発点から後方クロストークを観測したとします。「侵入」信号が出発点から遠く離れているとき、別の遅延信号が現れるまで、それはまだ後方のパルスを生じる。このように、後方クロストークパルスの全期間は、「侵入」信号の遅延時間の2倍である。

4.後方クロストークの反射

ドライバチップとレシーバチップとのクロストーク干渉は気にしないかもしれません。しかし、なぜ後方のパルスを気にする必要がありますか？ドライバチップは一般に低インピーダンス出力であるので、それが吸収するより多くのクロストーク信号を反射する。後方クロストーク信号が「被害者」のドライバチップに達すると、受信チップに反映される。一般に、ドライバチップの出力抵抗は、配線自体よりも低いので、クロストーク信号の反射を起こすことが多い。

誘導性と容量性の2つの特性を持つ順方向クロストーク信号とは異なり、後方クロストーク信号は1つの極性しかないので、後方クロストーク信号はそれ自体をキャンセルすることができない。反射後の後方クロストーク信号とクロストーク信号の極性は「侵入」信号と同じであり、その振幅は2つの部分の和である。

「犠牲者」の受信端で後方クロストークパルスを測定するとき、この漏話信号は「犠牲者」駆動チップによって既に反映されていることを覚えておいてください。後方クロストーク信号の極性は「侵入」信号と逆であることがわかる。

デジタルデザインでは、しばしばいくつかの定量的な指標を気に。例えば、クロストークがどのように発生しても、どのようにしても、前方または後方には、その最大ノイズ許容量は150 mVである。だから、ノイズを正確に測定する簡単な方法がありますか？電磁界効果は複雑であり，一連の方程式，回路基板のトポロジー，チップのアナログ特性などを含む。

5.クロストークキャンセル

つの方法は、線長、線間距離、および回路基板の積層位置などの結合に影響を与える1つ以上の幾何学的パラメータを変更することである。別の方法は、単一のラインをマルチチャンネル結合ラインに変えるためにターミナルを使うことです。合理的な設計では、マルチライン端子はクロストークの大部分を取り消すことができる。

6.行目

多くのデザイナーは、線長を短くすることが漏話を減らす鍵であると思っています。実際には、ほぼすべての回路設計ソフトウェアは、最大平行線長制御機能を提供します。残念ながら、幾何学的な値を変更するだけでクロストークを低減することは困難である。

順方向クロストークは結合長によって影響されるので、結合関係がないラインの長さを短くすると、クロストークの低減はほとんどない。さらに、結合長がドライバチップの降下または立ち上がり時間遅れを超える場合、結合長とフォワードクロストークの間の線形関係は飽和値に達する。このとき、既に長い結合線を短くすることはクロストークの低減にほとんど効果がない。

7.隔離の難しさ

結合線路間の距離を上げることは容易ではない。あなたの配線が非常に濃い場合は、配線密度を減らすために多くの努力を費やす必要があります。あなたが漏話干渉を心配しているならば、あなたは1つまたは2つの分離層を加えることができます。あなたが線またはネットワークの間で距離を広げなければならないならば、あなたはより簡単に作動するソフトウェアを持っているでしょう。回路の幅及び厚さは、クロストーク干渉にも影響するが、その影響は回路の距離係数よりもはるかに小さい。したがって、これら2つのパラメータは一般にほとんど調整されない。

誘電体材料の厚さは、大きな長さにわたるクロストーク干渉に影響を及ぼす。一般に、配線層をパワー層（Vccまたは接地）に近づけることにより、クロストーク干渉を低減することができる。改善効果の正確な値はシミュレーションによって決定する必要がある。

8.成層因子

いくつかPCBデザイナーそれでも、層化方法に注意しないでください, 高速回路設計における大きな誤り. 層化は送電線の性能に影響を与えない, インピーダンスのような, 遅延と結合, しかし、回路操作は誤動作または変化さえ起こしやすいです. 例えば, 5 milの誘電体厚みを減少させることによってクロストーク干渉を低減することは不可能である, コストとプロセスに関して行うことができるが.

9.凶器

残念なことに、そのような端子は高価であり、理想的に達成することは不可能である。いくつかの伝送線路間の結合インピーダンスが小さすぎるため、ドライバチップに大きな電流が流れる。伝送線路と接地との間のインピーダンスは、チップを駆動するには大きすぎることができない。これらの問題が存在し、このタイプの端末を使用する場合は、いくつかのAC結合コンデンサを追加してください。

インプリメンテーションにいくつかの困難があるが、インピーダンスアレイ端子は、特に厳しい反射のために、信号反射およびクロストークに対処するために依然として致命的な武器である。他の環境では動作しないかもしれませんが、まだ推奨されています。