Teknik PCB - Empat Arahan Rancangan PCB Kelajuan Tinggi: Kawalan Salib Sistem Digital Kelajuan Tinggi

Kandungan: Dalam sirkuit frekuensi tinggi, percakapan salib mungkin paling sukar untuk memahami dan meramalkan, tetapi ia boleh dikawal atau bahkan dibuang.

Semasa kelajuan penukaran meningkat, sistem digital modern telah menghadapi serangkaian masalah, seperti refleksi isyarat, kelelahan lambat, perbualan salib, dan kegagalan kompatibilitas elektromagnetik. Apabila masa penukaran sirkuit terintegrasi jatuh ke 5 nanosekund atau 4 nanosekund atau kurang, ciri-ciri kandungan papan sirkuit cetak sendiri mula muncul. Malangnya, ciri-ciri ini berbahaya dan patut dihindari sebanyak mungkin semasa proses desain. Dalam sirkuit frekuensi tinggi, percakapan salib mungkin paling sukar untuk memahami dan meramalkan, tetapi ia boleh dikawal atau bahkan dibuang.

1. Apa yang menyebabkan percakapan salib?

Apabila isyarat menyebar sepanjang kabel papan sirkuit cetak, gelombang elektromagnetik juga menyebar sepanjang kabel, dari satu hujung sirkuit terintegrasi ke hujung lain garis. Dalam proses penyebaran, gelombang elektromagnetik menyebabkan voltaj dan arus sementara disebabkan induksi elektromagnetik.

Gelombang elektromagnetik termasuk medan elektrik dan magnetik yang berubah pada masa. Dalam papan sirkuit cetak, sebenarnya, medan elektromagnetik tidak terbatas kepada berbeza kabel, sebahagian besar tenaga medan elektromagnetik wujud diluar kabel. Oleh itu, jika terdapat garis lain di dekatnya, apabila isyarat menyebar sepanjang wayar, medan elektrik dan magnet akan mempengaruhi garis lain. Menurut persamaan Maxwell, elektrik dan medan magnetik yang berbeza masa akan menyebabkan konduktor bersebelahan untuk menghasilkan tenaga dan arus. Oleh itu, medan elektromagnetik yang menyertai proses penyebaran isyarat akan menyebabkan garis bersebelahan menghasilkan isyarat, yang menyebabkan percakapan salib.

Dalam papan sirkuit cetak, garis yang menyebabkan percakapan salib sering dipanggil "penyusup." Garis yang subjek untuk gangguan percakapan salib biasanya dipanggil "mangsa". Isyarat salib dalam mana-mana "mangsa" boleh dibahagi menjadi isyarat salib maju dan isyarat salib belakang, dua isyarat ini sebahagian disebabkan oleh sambungan kapasitif dan sambungan induktif. Keterangan matematik isyarat percakapan salib sangat rumit, tetapi, seperti bot kelajuan tinggi di tasik, beberapa ciri-ciri kuantitatif isyarat percakapan salib ke hadapan dan ke belakang masih boleh dipahami oleh orang.

Kapal kelajuan tinggi mempunyai dua kesan pada air. Pertama, kapal kelajuan mengangkut gelombang pada busur, dan ribples bentuk busur seolah-olah bergerak ke hadapan dengan kapal kelajuan; Dan (ingatlah), apabila kapal itu berjalan untuk sementara waktu, maka ia akan meninggalkan jejak-jejak air yang panjang di belakangnya.

Ini sangat mirip dengan reaksi "mangsa" apabila isyarat melewati "penyusup". Ada dua jenis isyarat percakapan salib dalam "mangsa": isyarat depan sebelum isyarat penyerangan, seperti air dan ribples pada busur kapal; isyarat belakang, yang berada di belakang isyarat gangguan, seperti jejak air di tasik selepas kapal berlayar jauh. .

2. Karakteristik kemampuan perbualan salib maju

Kehadapan percakapan salib muncul sebagai dua ciri-ciri berkaitan antara satu sama lain: kapasitif dan perceptif. Apabila isyarat "serangan" maju, isyarat tekanan fasa yang sama dijana dalam "mangsa". Isyarat ini mempunyai kelajuan yang sama dengan isyarat "penyerangan", tetapi ia sentiasa sebelum isyarat "penyerangan". Ini bermakna isyarat percakapan salib tidak akan menyebar di hadapan, tetapi akan dipasang dengan lebih tenaga pada kelajuan yang sama dengan isyarat "gangguan".

Oleh kerana perubahan isyarat "gangguan" menyebabkan isyarat salib bercakap, denyut salib maju tidak unipolar, tetapi mempunyai kedua-dua polaritas positif dan negatif. Durasi denyut sama dengan masa tukar isyarat "gangguan".

Kapensiensi sambungan antara wayar menentukan amplitud tarik salib maju, dan kapasitas sambungan ditentukan oleh banyak faktor, seperti bahan papan sirkuit cetak, saiz geometrik, kedudukan salib garis, dan sebagainya. Amplitud adalah proporsional dengan jarak antara garis selari: semakin panjang jarak, Semakin besar tekanan percakapan salib. Namun, terdapat had atas untuk amplitud denyut percakapan salib, kerana isyarat "gangguan" secara perlahan kehilangan tenaga, dan "mangsa" secara bertukar pasangan kembali kepada "penyerang". Karakteristik induksi perbualan salib maju

Apabila isyarat "gangguan" bertambah, medan magnet beragam masa akan juga menghasilkan saling bercakap: saling bercakap maju dengan ciri-ciri induktif. Tapi percakapan salib dan percakapan salib kapasitif jelas berbeza: polariti percakapan salib maju adalah bertentangan dengan percakapan salib kapasitif maju. Ini kerana dalam arah depan, bahagian kapasitif dan perceptif percakapan salib berkompetisi dan membatalkan satu sama lain. Sebenarnya, apabila persimpangan kapasitif dan perceptif maju sama, tidak ada persimpangan maju.

Dalam banyak peranti, perbualan salib depan agak kecil, dan perbualan salib mundur menjadi masalah besar, terutama untuk papan sirkuit garis panjang, kerana sambungan kapasitatif diperbaiki. Bagaimanapun, tanpa simulasi, praktikal mustahil untuk mengetahui seberapa besar persepsi dan kapasitif saling bercakap dibatalkan.

Jika anda telah mengukur salib depan, anda boleh menentukan sama ada jejak anda secara kapasitif dipasang atau secara induktif dipasang pada polaritinya. Jika polariti salib bercakap sama dengan isyarat "gangguan", sambungan kapasitif akan dominasi, jika tidak, sambungan induktif akan dominasi. Dalam papan sirkuit cetak, pasangan induktif biasanya lebih kuat.

Teori fizikal perbualan salib mundur adalah sama seperti perbualan salib maju: medan elektrik dan magnetik yang berbeza-masa isyarat "gangguan" menyebabkan isyarat perceptif dan kapasitif dalam "mangsa". Tetapi terdapat juga perbezaan antara kedua-dua.

Perbezaan terbesar ialah jangka isyarat salib mundur. Kerana arah penyebaran dan kelajuan bagi isyarat salib maju dan "gangguan" sama, jangka salib maju sama dengan isyarat "gangguan". Bagaimanapun, percakapan salib belakang dan isyarat "gangguan" menyebar ke arah yang bertentangan, ia tertinggal di belakang isyarat "serangan" dan menyebabkan kereta api panjang denyut.

Tidak seperti percakapan salib maju, amplitud denyut percakapan salib belakang tidak ada hubungannya dengan panjang garis, dan jangka denyutnya adalah dua kali lebih lambat masa isyarat "gangguan". Kenapa? Anggap anda mengamati salib mundur dari titik permulaan isyarat. Apabila isyarat "gangguan" jauh dari titik permulaan, ia masih menghasilkan denyut mundur sehingga isyarat tertunda lain muncul. Dengan cara ini, keseluruhan tempoh denyutan salib mundur adalah dua kali lebih lambat masa isyarat "gangguan".

3. Refleksi perbualan salib belakang

Anda mungkin tidak peduli tentang gangguan salib antara cip pemandu dan cip penerima. Bagaimanapun, mengapa anda perlu peduli tentang denyut belakang? Kerana cip pemandu secara umum adalah output impedance rendah, ia mencerminkan lebih banyak isyarat salib daripada ia menyerap. Apabila isyarat salib mundur mencapai cip pemacu dari "mangsa", ia akan direfleksikan ke cip yang menerima. Kerana resistensi output cip pemandu biasanya lebih rendah daripada wayar sendiri, ia sering menyebabkan refleksi isyarat salib bercakap.

Tidak seperti isyarat salib maju, yang mempunyai dua ciri-ciri: induktif dan kapasitif, isyarat salib belakang hanya mempunyai satu polariti, jadi isyarat salib belakang tidak dapat membatalkan dirinya sendiri. Kualiti isyarat salib belakang dan isyarat salib selepas refleksi sama dengan isyarat "gangguan", dan amplitudnya adalah jumlah kedua-dua bahagian.

Ingat, apabila anda mengukur denyutan salib belakang pada hujung penerimaan "mangsa", isyarat salib ini telah direfleksikan oleh cip pemacu "mangsa". Anda boleh memperhatikan bahawa polariti isyarat salib belakang adalah bertentangan dengan isyarat "gangguan".

Dalam rancangan digital, anda sering peduli tentang beberapa indikator kuantitatif. Contohnya, tidak kira bagaimana dan apabila saling bercakap dijana, ke hadapan atau ke belakang, toleransi bunyi maksimum adalah 150mV. Jadi, adakah cara mudah untuk mengukur bunyi dengan tepat? Jawapan sederhana adalah "tidak", kerana kesan medan elektromagnetik terlalu rumit, melibatkan siri persamaan, topologi papan sirkuit, ciri-ciri analog cip, dan sebagainya.

4. Panjang baris

Banyak desainer percaya bahawa pendekatan panjang garis adalah kunci untuk mengurangkan percakapan salib. Malah, hampir semua perisian desain sirkuit menyediakan fungsi kawalan panjang garis selari maksimum. Malangnya, sukar untuk mengurangi percakapan salib hanya dengan mengubah nilai geometrik.

Kerana percakapan salib maju dipengaruhi oleh panjang sambungan, apabila anda pendek panjang garis yang tidak mempunyai hubungan sambungan, hampir tiada pengurangan dalam percakapan salib. Selain itu, jika panjang sambungan melebihi lambat masa jatuh atau naik cip pemacu, hubungan linear antara panjang sambungan dan salib maju akan mencapai nilai ketepuan. Pada masa ini, pendekatan garis sambungan yang sudah panjang mempunyai sedikit kesan untuk mengurangi salib bercakap.

Kaedah yang masuk akal adalah untuk mengembangkan jarak diantara garis terhubung. Dalam hampir semua kes, pemisahan garis pasang boleh mengurangkan gangguan salib. Latihan telah membuktikan bahawa amplitud salib belakang adalah kira-kira sebaliknya proporsional kepada kuasa dua jarak antara garis bersambung, iaitu, jika anda gandakan jarak, salib akan dikurangi dengan tiga kuasa empat. Kesan ini lebih terang apabila percakapan salib mundur adalah dominan.

5. Pembatalan salib

Dari sudut pandangan praktik, isu yang paling penting adalah bagaimana untuk membuang saling bercakap. Apa yang awak patut buat bila percakapan salib mempengaruhi ciri-ciri sirkuit?

Anda boleh mengadopsi dua strategi berikut. Satu kaedah adalah untuk mengubah satu atau lebih parameter geometrik yang mempengaruhi sambungan, seperti panjang baris, jarak antara baris, dan kedudukan lapisan papan sirkuit. Kaedah lain ialah menggunakan terminal untuk menukar baris tunggal ke baris terhubung berbilang-saluran. Dengan rancangan yang masuk akal, terminal berbilang baris boleh batalkan sebahagian besar perbualan salib.

6. Kesulitan mengisolasi

Tidak mudah untuk meningkatkan jarak antara garis yang dipasang. Jika kabel anda sangat padat, anda mesti menghabiskan banyak usaha untuk mengurangi padat kabel. Jika anda bimbang tentang gangguan percakapan salib, anda boleh tambah satu atau dua lapisan pengasingan. Jika anda perlu mengembangkan jarak antara baris atau rangkaian, maka lebih baik anda mempunyai perisian yang mudah untuk beroperasi. Lebar dan tebal sirkuit juga mempengaruhi gangguan salib, tetapi pengaruhnya jauh lebih kecil daripada faktor jarak sirkuit. Oleh itu, dua parameter ini secara umum jarang disesuaikan.

Kerana bahan pengisihan papan sirkuit mempunyai konstan dielektrik, ia juga akan menghasilkan kapasitas sambungan antara garis, jadi mengurangkan konstan dielektrik juga boleh mengurangkan gangguan salib. Kesan ini tidak terlalu jelas, terutama bahagian sirkuit microstrip dielektrik sudah udara. Yang lebih penting, mengubah konstan dielektrik tidak begitu mudah, terutama dalam peralatan mahal. Sebuah workaround adalah untuk menggunakan bahan yang lebih mahal daripada FR-4.

Ketempatan bahan dielektrik mempengaruhi gangguan salib atas panjang yang besar. Secara umum, membuat lapisan kawat dekat dengan lapisan kuasa (Vcc atau tanah) boleh mengurangkan gangguan salib. Nilai tepat kesan peningkatan perlu ditentukan dengan simulasi.

7. Faktor stratifikasi

Beberapa perancang papan sirkuit cetak masih tidak memperhatikan kaedah lapisan, yang merupakan kesilapan besar dalam desain sirkuit kelajuan tinggi. Lapisan tidak hanya mempengaruhi prestasi garis penghantaran, seperti impedance, lambat dan sambungan, tetapi juga operasi sirkuit cenderung untuk cacat atau bahkan perubahan. Contohnya, ia mustahil untuk mengurangi gangguan salib dengan mengurangi tebal dielektrik 5 juta, walaupun ia boleh dilakukan dalam terma kos dan proses.

Faktor lain yang mudah diabaikan adalah pilihan lapisan. Dalam banyak kes, saling bercakap depan adalah gangguan saling bercakap utama dalam sirkuit microstrip. Bagaimanapun, jika rancangan itu masuk akal, lapisan kabel ditempatkan diantara dua lapisan kuasa, sehingga sambungan kapasitif dan sambungan induktif adalah seimbang dengan baik, dan sambungan salib mundur dengan amplitud rendah menjadi faktor utama. Oleh itu, anda mesti memperhatikan apa jenis gangguan salib dominasi semasa simulasi.

Hubungan kedudukan antara kabel dan cip juga mempengaruhi perbualan salib. Kerana percakapan salib mundur mencapai cip yang menerima dan diselarang ke cip pemacu, lokasi dan prestasi cip pemacu adalah sangat penting. Kerana kompleksiti topologi, refleksi dan faktor lain, sukar untuk menjelaskan siapa yang paling terpengaruh oleh percakapan salib. Jika terdapat struktur topologi berbilang untuk dipilih dari, lebih baik menggunakan simulasi untuk menentukan struktur mana yang mempunyai kesan paling sedikit pada perbualan salib.

Faktor bukan-geometrik yang boleh mengurangkan percakapan salib adalah indikator teknikal cip pemacu sendiri. Prinsip umum adalah memilih cip pemacu dengan masa penukaran panjang untuk mengurangkan gangguan perbualan salib (yang sama adalah benar untuk memecahkan banyak masalah lain disebabkan kelajuan tinggi). Walaupun percakapan salib tidak secara ketat proporsional dengan masa penukaran, pengurangan masa penukaran masih akan mempunyai kesan yang signifikan. Dalam banyak kes, anda tidak boleh memilih teknologi cip pemacu, anda hanya boleh ubah parameter geometrik untuk mencapai tujuan anda. Kurangkan perbualan salib melalui terminal

Seperti yang kita semua tahu, terminal garis penghantaran yang bebas dan tidak disambungkan disambung untuk sepadan dengan impedance, ia tidak akan menghasilkan refleksi. Sekarang pertimbangkan satu siri garis pemindahan bersambung, contohnya, tiga garis pemindahan dengan saling bercakap, atau sepasang garis pemindahan bersambung. Jika and a menggunakan perisian analisis sirkuit, anda boleh menghasilkan sepasang matriks, mewakili garis transmisi sendiri dan kapasitasi dan induktansi antara satu sama lain. Contohnya, tiga garis penghantaran mungkin mempunyai matriks C dan L berikut:

Dalam matriks ini, unsur diagonal adalah nilai garis penghantaran sendiri, dan unsur off-diagonal adalah nilai antara garis penghantaran. (Perhatikan bahawa ia diungkapkan dalam pF dan nH per unit panjang). Penguji medan elektromagnetik yang sophistik boleh digunakan untuk menentukan nilai ini.

Ia boleh dilihat bahawa setiap kumpulan garis penghantaran juga mempunyai matriks impedance karakteristik. Dalam matriks Z0 ini, unsur diagonal mewakili nilai impedance garis penghantaran ke tanah, dan unsur off-diagonal adalah nilai sambungan garis penghantaran.

Untuk kumpulan garis penghantaran, sama dengan garis penghantaran tunggal, jika terminal adalah matriks impedance yang sepadan dengan Z0, matriknya hampir sama. Impedansi yang diperlukan tidak perlu menjadi nilai dalam Z0, selagi rangkaian impedance terbentuk sepadan dengan Z0. Matriks pengendalian tidak hanya mengendalikan garis penghantaran ke tanah, tetapi juga pengendalian antara garis penghantaran.

Matriks impedance seperti itu mempunyai ciri-ciri yang baik. Pertama, ia boleh mencegah refleksi percakapan salib dalam garis yang tidak terhubung. Yang lebih penting, ia boleh menghapuskan percakapan salib yang telah dibentuk.

8. Senjata mematikan

Malangnya, terminal seperti itu mahal dan mustahil untuk dicapai dengan cara yang ideal, kerana pengendalian sambungan antara beberapa garis penghantaran terlalu kecil, yang akan menyebabkan arus besar mengalir ke dalam cip pemacu. Impedasi antara garis transmisi dan tanah tidak boleh terlalu besar untuk memandu cip. Jika masalah ini wujud dan and a merancang untuk menggunakan jenis terminal ini, cuba menambah beberapa kondensator sambungan AC.

Walaupun ada beberapa kesulitan dalam pelaksanaan, terminal array impedance masih senjata mematikan untuk menghadapi refleksi isyarat dan perbualan salib, terutama untuk keadaan yang kasar. Dalam persekitaran lain, ia mungkin atau tidak berfungsi, tetapi ia masih kaedah yang direkomendasikan.