Новости PCB - Высокоскоростной анализ перекрестных помех при проектировании печатных плат

Под перекрестными помехами понимается нежелательный шумовой сигнал напряжения, возникающий в результате взаимной связи электромагнитных полей между соседними сигналами при распространении сигнала по линии передачи, то есть энергия передается от одной линии к другой. С ростом сложности и производительности электронных изделий плотность печатных плат и частота использования связанных с ними устройств постоянно увеличиваются. Сохранение и улучшение скорости и производительности системы стало важным вопросом для разработчиков. 

Чем выше частота сигнала, тем круче край, меньше размер печатных плат и выше плотность разводки - все это значительно увеличивает влияние перекрестных помех при проектировании высокоскоростных печатных плат.Проблема перекрестных наводок существует объективно,но превышение определенного предела может вызвать ложное срабатывание схемы и привести к нарушению нормальной работы системы. Разработчик должен понимать принцип перекрестных наводок и применять соответствующие методы при проектировании,чтобы минимизировать негативное влияние перекрестных наводок.

Перекрестные наводки при проектировании высокоскоростных печатных плат могут быть вызваны связью магнитного поля, создаваемой взаимной индуктивностью, или связью электрического поля, создаваемой взаимной емкостью. Модели перекрестных наводок двух связанных линий передачи. Ближние перекрестные наводки относятся к перекрестным наводкам на мешающей линии вблизи драйвера мешающей линии, а дальние перекрестные наводки относятся к перекрестным наводкам на мешающей линии вблизи приемного конца мешающей линии.

Схема модели перекрестных помех в магнитном поле (индуктивных) и электрическом поле (емкостных)

Индуктивная связь - это помеха, вызванная индуцированным напряжением на объекте помех из-за магнитного поля, возникающего при изменении тока в источнике помех. Магнитное поле сигнала, передаваемого по линии ab in, индуцирует напряжение на линии cd. Интерференционная линия может рассматриваться как первичная сторона трансформатора, интерферирующая линия - как вторичная сторона трансформатора, а ток, генерируемый интерферирующей линией, находится на ближнем конце. Поток в сопротивлении нагрузки и сопротивлении удаленной нагрузки. Tp - время задержки линии передачи, а Tr - время нарастания управляющего сигнала. видно, что дальняя связь создает отрицательный импульс с шириной импульса Tr, а ближняя связь сохраняет временное расширение 2TP, причем его амплитуда остается неизменной, но общая площадь перекрестных наводок их связи одинакова. Общая площадь перекрестных наводок пропорциональна LM (dIs/dt) и длине связи.

Емкостная связь это помеха, вызванная индуцированным током в объекте помех из-за изменения напряжения на источнике помех. Форма волны в каждой точке, вызванной взаимной емкостной связью, показана на рисунке .Отличие от взаимной индуктивной связи состоит в том, что дистанционная связь представляет собой положительный импульс. Площадь перекрестных помех пропорциональна CM[(dv/dt) и длине связи.

Индуктивные и емкостные перекрестные наводки - это, по сути, результат суперпозиции двух перекрестных наводок. Видно, что и индуктивная связь, и емкостная наводка пытаются усилить свой эффект на ближнем конце d (они имеют одинаковую полярность в точке d), а на дальнем конце c пытаются отменить эффект друг друга (их полярности в точке c противоположны). Амплитуда импульса наводки на ближнем конце постоянна, а ширина импульса в два раза больше времени распространения Tp, представленного областью связи. Ширина дальнего импульса приблизительно равна времени нарастания Тр импульса на интерференционной линии, а амплитуда возрастает с увеличением длины связи. При нормальных условиях в полной плоскости индуктивные и емкостные напряжения перекрестных наводок практически одинаковы. В схеме полосковой линии на печатной плате хорошо сбалансированы индуктивные и емкостные наводки, и дальние наводки малы; для микрополосковой линии большая часть электрического поля, связанного с наводками, проходит через воздух, а не через другие изолирующие материалы, поэтому емкостные наводки меньше, чем индуктивные, что приводит к тому, что дальние наводки имеют отрицательное значение. Если перекрестные наводки являются основной проблемой, расположите все чувствительные трассы в виде полосковых линий.

Диаграмма перекрестных наводок при взаимной индуктивности и взаимной емкостной связи

Влияние перекрестных наводок на систему, как правило, отрицательное. Полностью избежать перекрестных наводок при проектировании печатных плат высокой плотности и сложности невозможно. Чтобы уменьшить перекрестные наводки, главное - сделать связь между сетью источника помех и сетью помех как можно меньше. При проектировании системы мы должны выбрать подходящий метод минимизации перекрестных помех без ущерба для других характеристик системы. В сочетании с приведенным выше анализом решение проблемы перекрестных помех рассматривается в основном со следующих точек зрения:

Если позволяют условия прокладки, увеличить расстояние между линиями передачи настолько, насколько это возможно; или уменьшить параллельную длину между соседними линиями передачи настолько, насколько это возможно (суммарная параллельная длина), предпочтительно прокладывая провода между разными слоями;

В случае обеспечения синхронизации сигнала выбирайте устройства с низкой скоростью преобразования, чтобы максимально замедлить скорость изменения электрического поля и магнитного поля и тем самым уменьшить перекрестные наводки;

Сигнальный слой двух соседних слоев (без планарной изоляции слоев) должен быть перпендикулярен направлению маршрутизации, старайтесь избегать параллельной маршрутизации, чтобы уменьшить перекрестные наводки между слоями;

При проектировании стека, при условии удовлетворения характеристического импеданса, диэлектрический слой между слоем проводки и опорной плоскостью (плоскостью питания или заземления) должен быть сделан как можно тоньше, что увеличивает связь между линией передачи и опорной плоскостью и уменьшает смежное сопряжение линий передачи;

Поскольку поверхностный слой имеет только одну опорную плоскость, связь электрического поля поверхностной проводки сильнее, чем в среднем слое, поэтому сигнальные линии, более чувствительные к перекрестным наводкам, размещаются во внутреннем слое, насколько это возможно;

Благодаря заделке импеданс дальнего и ближнего концов линии передачи согласовывается с линией передачи, что позволяет значительно снизить амплитуду перекрестных помех.

Перекрестные помехи это проблема, которую нельзя игнорировать при проектировании высокоскоростных печатных плат,и ей уделяется все больше внимания. Проектирование систем на основе цифровых технологий вышло на новый этап.Многие вопросы высокоскоростного проектирования, которые в прошлом были второстепенными,теперь оказывают критическое влияние на производительность системы. Проблемы целостности сигнала, включая перекрестные помехи, привели к изменениям в концепциях проектирования, процессах проектирования и методах проектирования. В условиях новых вызовов ключевым моментом в борьбе с перекрестными помехами является выявление тех сетей, которые оказывают реальное влияние на нормальную работу системы, вместо слепого подавления перекрестных помех во всех сетях, что также противоречит ограниченным ресурсам проводки.