Teknik PCB - Analisis percakapan saling PCB kelajuan tinggi dan pengurangannya

1 Perkenalan

Dengan meningkat kompleksiti dan prestasi produk elektronik, ketepatan papan sirkuit cetak dan frekuensi peranti berkaitan terus meningkat. Menjaga dan meningkatkan kelajuan dan prestasi sistem telah menjadi isu penting bagi desainer. Frekuensi isyarat menjadi lebih tinggi, pinggir menjadi lebih lembut, saiz papan sirkuit cetak menjadi lebih kecil, dan densiti kawat meningkat, dll., yang meningkatkan pengaruh perbualan salib dalam reka PCB kelajuan tinggi. Masalah percakapan salib wujud secara objektif, tetapi melebihi had tertentu boleh menyebabkan pemicuan palsu sirkuit dan menyebabkan sistem gagal berfungsi secara biasa. Penjana mesti memahami mekanisme perbualan salib dan aplikasikan kaedah yang sesuai dalam rancangan untuk minimumkan kesan negatif perbualan salib.

2. Generasi dan peningkatan perubahan percakapan isyarat digital frekuensi tinggi

Crosstalk merujuk kepada isyarat tekanan bunyi yang tidak diinginkan yang dijana oleh sambungan antara medan elektromagnetik antara isyarat bersebelahan apabila isyarat menyebar pada garis trasmis, iaitu, tenaga dipasang dari satu garis ke garis lain.

Seperti yang dipaparkan dalam Gambar 1, untuk mudah analisis, kami menggambarkan model perbualan salib dua garis transmisi bersebelahan mengikut model yang sama. Keterangan karakteristik bagi garis penghantaran AB dan CD adalah Z0, dan perlawanan terminal yang sepadan R=Z0. Jika sumber pemandu di titik A adalah sumber gangguan, rangkaian wayar antara A dan B dipanggil garis Aggressor, dan rangkaian wayar antara C dan D dipanggil garis mangsa, yang diganggu. Percakapan salib dekat hujung pemandu rangkaian sumber gangguan dipanggil percakapan salib dekat-hujung (juga dipanggil percakapan salib mundur), dan percakapan salib dekat hujung penerimaan rangkaian sumber gangguan dipanggil percakapan salib jauh-hujung (juga dipanggil percakapan salib maju). Crosstalk terutamanya berasal dari induktansi saling Lm dan kapasitasi saling Cm membentuk antara dua konduktor bersebelahan.

2.1 Sambungan induktif

Dalam Figur 1, pertama-tama mempertimbangkan hanya pasangan induktif disebabkan oleh induktif bersama Lm. Medan magnetik isyarat yang dihantar pada garis A hingga B mengakibatkan tekanan pada garis C hingga D. Sambungan magnetik bertindak seperti pengubah. Oleh kerana ini adalah garis penghantaran yang disebarkan, induktan bersama juga menjadi siri pengubah yang disebarkan dalam dua garis penghantaran Paralel bersebelahan. Apabila isyarat langkah tegangan bergerak dari A ke B, setiap pengubah yang didistribusikan pada garis gangguan akan secara berturut-turut mengakibatkan suara gangguan untuk muncul pada rangkaian terganggu. Bunyi tegangan ditolak oleh induktan bersama pada rangkaian terganggu adalah proporsional dengan perubahan semasa memandu pada rangkaian terganggu. Formula pengiraan untuk bunyi yang dijana oleh induktan bersama adalah

Ia berharga untuk diperhatikan bahawa polariti pasangan induktan antara satu sama lain bagi setiap bahagian pengubah pasangan adalah berbeza. tenaga gangguan yang didorong ke rangkaian terganggu adalah ke hadapan dan ke belakang dalam jujukan, tetapi polariti adalah bertentangan, pergi ke C dan C dan berdasarkan CD garis penghantaran. Pergi pada titik D.

Seperti yang ditampilkan dalam Gambar 2, tenaga gangguan maju dalam arah C adalah proporsional dengan tenaga insiden dan setiap komponen induktan bersama Lm. Kerana semua tenaga gangguan ke hadapan mencapai titik C hampir pada masa yang sama, tenaga gangguan ke hadapan dan induktan bersama-sama dua garis penghantaran jumlah keseluruhan adalah proporsional, semakin panjang paralel garis penghantaran, semakin besar jumlah induktan bersama-sama yang dijana, dan tenaga gangguan ke hadapan juga meningkat; bagaimanapun, tenaga gangguan ke belakang menuju titik D berbeza dari tenaga gangguan ke hadapan menuju titik C Ya, walaupun jumlah kawasan sambungan kedua-dua adalah sama, komponen gangguan yang diinduksi oleh setiap pengubah induksi saling mencapai D dalam urutan, dan masa yang efektif tenaga gangguan ke belakang adalah sepanjang 2Tp (Tp adalah lambat pendaraban). Dengan sambungan panjang selari (iaitu, meningkatkan induktan bersama), ukuran percakapan salib mundur tidak akan berubah, tetapi jangka akan meningkat.

2.2 Sambungan kapasitif

Kapensiensi saling sama adalah mekanisme lain yang menghasilkan percakapan saling. Kapensiensi saling Cm akan menghasilkan semasa yang disebabkan pada rangkaian terganggu. Semasa ini adalah proporsional dengan kadar perubahan tenaga pada rangkaian terganggu. Formula pengiraan bunyi yang dijana oleh kapasitasi saling Cm ialah:

Mekanisme sambungan kondensator sambungan yang disebarkan sama dengan mekanisme sambungan induktif yang disebarkan, perbezaan berada dalam polariti sambungan. Seperti yang dipaparkan dalam Gambar 3, polariti tenaga gangguan maju dan belakang bagi sambungan kapasitatif bersama-sama adalah kedua-dua positif.

2.3 Kesan gabungan induksi dan kapasitas bersama

Secara umum, percakapan salib kapasitif dan percakapan salib induktif berlaku pada masa yang sama. Dari literatur [1], kita boleh dapatkan formula pengiraan keseluruhan perbualan salib dari hujung dekat dan hujung jauh berdasarkan, yang ditolak oleh sambungan kapasitif dan sambungan induktif berdasarkan.

Keseluruhan bunyi percakapan yang dekat adalah:

Total bunyi bercakap salib berakhir jauh adalah:

Di antara mereka, Z0, C, l, Cm, Lm, L dan V0 adalah keterangan keterangan garis penghantaran, kapasitasi per unit panjang, induktansi per unit panjang, kapasitasi sambungan dan induktansi sambungan antara dua garis penghantaran, panjang selari dua garis penghantaran, dan nilai puncak voltas.

Dari kedua formula di atas, kita boleh lihat bahawa total bunyi percakapan salib di hujung jauh dibatalkan antara satu sama lain kerana hubungan polariti pasangan kapasitif dan induktif, iaitu, percakapan salib di hujung jauh boleh dibuang. Dalam bentangan PCB, litar garis garis garis boleh menunjukkan keseimbangan yang baik antara pasangan induktif dan kapasitif, dan tenaga pasangan depannya sangat kecil; bagi garis microstrip (Microstfip), medan elektrik berkaitan dengan crosstalk adalah sebahagian besar dari laluan ialah udara, bukan bahan-bahan isolasi lain, jadi crosstalk kapasitif lebih kecil daripada crosstalk induktif, yang menghasilkan nombor negatif kecil untuk pasangan depan. Inilah sebabnya gangguan perbualan salib yang jauh sering diabaikan dalam rancangan biasa, dan peningkatan perbualan salib yang dekat-akhir diterangkan.

Dalam rancangan sebenar, parameter berkaitan PCB (seperti tebal, konstan dielektrik, dll.), serta panjang garis, lebar garis, jarak garis, kedudukan garis trasmis dan arah tanah, dan arah aliran semasa akan mempengaruhi c, l, Cm, Lm, L, saiz ditentukan oleh frekuensi isyarat dan masa naik/jatuh peranti.

Di sini kita tidak akan melakukan analisis kuantitatif pengaruh parameter ini pada perbualan salib. Untuk hubungan antara parameter ini dan darjah pengaruh pada perbualan salib, sila rujuk rujukan lain yang berkaitan untuk perincian.

2.4 Tenderasi perubahan perbualan salib

Ukuran indutan dan kapasitas bersama mempengaruhi ukuran perbualan salib, dengan cara yang sama mengubah keterlaluan karakteristik dan kelajuan penyebaran garis penghantaran. Dengan cara yang sama, geometri garis penghantaran sebahagian besar mempengaruhi perubahan dalam induktan bersama dan kapasitas bersama, jadi pengendalian karakteristik garis penghantaran sendiri juga mempunyai kesan pada parameter-parameter ini. Dalam medium yang sama, sambungan antara garis penghantaran impedance relatif rendah dan pesawat rujukan (pesawat tanah) lebih kuat, dan sambungan antara garis penghantaran impedance relatif rendah dan garis penghantaran sebelah akan lebih lemah, jadi garis penghantaran impedance rendah mempunyai perubahan impedance yang lebih kecil disebabkan oleh salib bercakap.

3 Beberapa kesan disebabkan oleh perbualan salib

Dalam rancangan PCB kelajuan tinggi, densiti tinggi, pesawat tanah lengkap secara umum disediakan, sehingga setiap garis isyarat pada dasarnya hanya berinteraksi dengan garis isyarat terdekatnya, dan sambungan salib dari garis isyarat jauh lain adalah tidak terlihat. Namun, dalam sistem analog, apabila isyarat kuasa tinggi melewati isyarat input aras rendah atau apabila komponen dengan tenaga isyarat yang lebih tinggi (seperti TTL) dekat dengan komponen dengan tenaga isyarat yang lebih rendah (seperti ECL), perlukan resistensi yang sangat tinggi. Kemampuan Crosstalk. Dalam rancangan PCB, jika tidak dikendalikan dengan betul, crosstalk mempunyai dua kesan biasa berikut pada integriti isyarat PCB kelajuan tinggi.

3.1 Pemicuan palsu disebabkan oleh perbualan salib

Perkataan salib isyarat adalah bahagian penting masalah integriti isyarat yang dihadapi oleh reka kelajuan tinggi. Ralat fungsi sirkuit digital disebabkan oleh perbualan salib adalah yang paling biasa.

Gambar 4 adalah penghantaran logik ralat biasa dalam rangkaian sebelah disebabkan oleh denyutan salib. Isyarat yang dihantar pada rangkaian sumber gangguan melewati kondensator sambungan, menyebabkan denyutan bunyi pada rangkaian terganggu dan hujung penerima, yang menyebabkan denyutan tidak diinginkan dihantar ke ujung penerima. Jika intensiti denyut ini melebihi nilai pemicu akhir penerima, denyut pemicu tidak boleh dikawal akan dijana, menyebabkan kekeliruan dalam fungsi logik rangkaian aras berikutnya.

3.2 Lembatan masa disebabkan oleh perbualan salib

Dalam desain digital, isu masa adalah pertimbangan yang penting. Figur 5 menunjukkan masalah masa disebabkan oleh bunyi percakapan salib. Bahagian bawah dari angka adalah dua jenis denyut bunyi yang dijana oleh rangkaian sumber gangguan (Helpful Figure 5 Delay error and Unhelpful error caused by crosstalk noise). Apabila denyutan bunyi (kesalahan yang berguna) ditukar pada rangkaian terganggu, ia akan menyebabkan penghantaran isyarat rangkaian terganggu. Lembatan dikurangi; Sama seperti, apabila denyutan bunyi (kesalahan tidak berguna) ditolak pada rangkaian terganggu, ia meningkatkan lambat isyarat penghantaran normal rangkaian terganggu. Walaupun jenis bunyi percakapan salib yang mengurangkan lambat penghantaran rangkaian berguna untuk meningkatkan masa PCB, dalam rancangan PCB sebenarnya, disebabkan ketidakpastian rangkaian sumber terganggu, lambat ini tidak boleh dikawal, jadi jenis percakapan salib yang disebabkan mesti ditahan.

4. Minimumkan perbualan salib

Crosstalk ada di mana-mana dalam rekaan PCB kelajuan tinggi dan densiti tinggi, dan kesan perbualan salib pada sistem secara umum negatif. Untuk mengurangi perbualan salib, perkara yang paling as as adalah untuk membuat sambungan antara rangkaian sumber gangguan dan rangkaian gangguan sebagai kecil yang mungkin. Ia adalah mustahil untuk menghindari persimpangan dalam rekaan PCB yang tinggi-densiti dan kompleks. Namun, dalam desain sistem, desainer patut pilih kaedah yang sesuai untuk minimumkan perbualan salib tanpa mempengaruhi prestasi lain sistem. Bergabung dengan analisis di atas, penyelesaian untuk masalah percakapan salib terutamanya dianggap dari aspek berikut:

Jika syarat kabel membenarkan, meningkatkan jarak antara garis penghantaran sebanyak mungkin; atau mengurangkan panjang selari diantara garis penghantaran bersebelahan sebanyak yang mungkin (panjang selari kumulatif), dan lebih baik untuk lalui garis diantara lapisan yang berbeza.

Lapisan isyarat (tanpa pengasingan lapisan planar) bagi dua lapisan bersebelahan sepatutnya bertentangan dengan arah laluan, dan cuba untuk mengelakkan laluan selari untuk mengurangkan salib bercakap antara lapisan.

Dalam kes memastikan masa isyarat, cuba memilih peranti dengan kelajuan konversi rendah sebanyak yang mungkin untuk memperlambat kadar perubahan medan elektrik dan medan magnetik, dengan itu mengurangkan percakapan salib.

Apabila merancang tumpukan, dalam syarat untuk memenuhi impedance karakteristik, lapisan dielektrik diantara lapisan kabel dan lapisan rujukan (kuasa atau lapisan tanah) patut dibuat sebagai tipis yang mungkin, sehingga meningkatkan sambungan antara garis transmisi dan lapisan rujukan dan mengurangkan sambungan di sebelah garis transmisi.

Kerana lapisan permukaan hanya mempunyai satu lapisan rujukan, sambungan medan elektrik kawat lapisan permukaan lebih kuat daripada lapisan tengah, jadi garis isyarat yang lebih sensitif untuk salib patut ditempatkan dalam lapisan dalam sebanyak mungkin.

Melalui penghentian, pengendalian terminal hujung jauh dan hujung dekat garis penghantaran boleh sepadan dengan garis penghantaran, yang boleh mengurangkan amplitud perbualan salib.

5. Perhatian akhir

Design sistem digital telah memasuki tahap baru. Banyak isu desain kelajuan tinggi yang dulu penting sekunder sekarang mempunyai kesan kritik pada prestasi sistem. Masalah integriti isyarat termasuk perbualan salib telah membawa perubahan dalam konsep desain, proses desain, dan kaedah desain. Dalam menghadapi cabaran baru, perkara yang paling penting untuk bunyi percakapan salib adalah untuk mencari rangkaian yang mempunyai kesan yang sebenar pada operasi normal sistem, selain dari menekan bunyi percakapan salib pada semua rangkaian. Ini juga sesuai dengan sumber kawat terbatas. bertentangan. Percakapan salib yang dibincangkan dalam artikel ini adalah sangat penting untuk memecahkan masalah percakapan salib dalam desain sirkuit kelajuan tinggi dan densiti tinggi.