Новости PCB - Метод измерения перекрестных помех на печатных плат во временной области

С ростом скорости цифровых систем в области связи, видео, сетевых и компьютерных технологий требования к качеству печатных плат (ПП) в таких системах также становятся все выше и выше. Ранние конструкции печатных плат не могли гарантировать производительность и рабочие требования системы в условиях увеличения частоты сигнала и уменьшения времени нарастания импульсов. При современном проектировании печатных плат нам необходимо использовать теорию линий передачи для моделирования печатных плат и ее компонентов (краевых разъемов, микрополосковых линий и гнезд для компонентов). Только полное понимание форм, механизмов и последствий перекрестных помех на печатных плат и использование соответствующих технологий для их максимального подавления поможет нам повысить надежность систем, включая печатные платы. Эта статья в основном посвящена проектированию печатных плат, но я считаю, что рассмотренные в ней материалы помогут и в других областях, например при определении характеристик кабелей и разъемов.

Разработчики печатных плат обеспокоены перекрестными помехами, поскольку они могут вызвать следующие проблемы с производительностью:

> Повышенный уровень шума

>Вредные заусенцы

>Джиттер на границе данных

>Непредвиденные отражения сигнала

Какие из этих проблем повлияют на дизайн печатных плат, зависит от многих факторов, таких как характеристики логических схем, используемых на плате, дизайн платы, режим перекрестных наводок (обратный или прямой), а также условия заделки с обеих сторон мешающей и мешаемой линий. Приведенная ниже информация поможет читателю лучше понять и изучить перекрестные наводки и тем самым уменьшить их влияние на конструкцию.

Методы изучения перекрестных наводок

При проектировании печатных плат для минимизации перекрестных наводок необходимо найти баланс между емкостной и индуктивной реактивностью и постараться достичь номинальных значений импеданса, поскольку технологичность печатных плат требует, чтобы импеданс линии передачи хорошо контролировался. После завершения проектирования платы компоненты, разъемы и методы заделки на плате определяют, какой тип перекрестных помех будет оказывать большое влияние на производительность схемы. Использование измерений во временной области может помочь разработчикам установить граничные диапазоны для анализа перекрестных помех путем расчета частот перегиба и понимания модели перекрестных помех на печатных плат (crosstalk-on-pcb).

Метод измерения во временной области

Для измерения и анализа перекрестных помех можно использовать технологию частотной области, позволяющую наблюдать взаимосвязь между гармоническими составляющими тактового генератора в частотном спектре и максимальными значениями ЭМИ на этих гармонических частотах. Однако измерение фронта цифрового сигнала во временной области (время, необходимое для подъема от 10 % уровня сигнала до 90 %) также является средством измерения и анализа перекрестных помех, а измерение во временной области имеет следующие преимущества: Изменения фронтов цифрового сигнала Скорость, или время нарастания, напрямую отражает, насколько высока каждая частотная составляющая сигнала. Поэтому скорость сигнала (т. е. время нарастания), определяемая фронтом сигнала, также может помочь выявить механизм перекрестных помех. Время нарастания можно напрямую использовать для расчета частоты точки перегиба. В этой статье мы используем метод измерения времени нарастания для объяснения и измерения перекрестных помех.

частота перегиба

Чтобы обеспечить надежную работу цифровой системы, разработчики должны изучить и проверить работу схемы ниже частоты точки перегиба. Анализ цифровых сигналов в частотной области показывает, что сигналы, превышающие частоту точки перегиба, ослабляются и, следовательно, не оказывают существенного влияния на перекрестные помехи, в то время как энергии, содержащейся в сигналах ниже частоты точки перегиба, достаточно, чтобы повлиять на работу схемы. Частота точки перегиба рассчитывается по следующей формуле:

Fknee = 0.5/ trise

Модель перекрестных наводок на печатных плат

Модель, представленная в этом разделе, обеспечивает платформу для изучения различных форм перекрестных наводок и поясняет, как взаимный импеданс между двумя микрополосковыми линиями вызывает перекрестные наводки на печатной плате.

Взаимный импеданс равномерно распределен вдоль двух трасс. Перекрестные помехи возникают, когда схема цифрового затвора посылает нарастающий фронт импульса на линию перекрестных помех, и он распространяется вдоль трассы:

1. Взаимная емкость Cm и взаимная индуктивность Lm передают напряжение на соседнюю линию помех.

2. Напряжение перекрестных помех появляется на интерферирующей линии в виде узкого импульса с шириной, равной времени нарастания импульса на интерферирующей линии.

3. На интерферирующей линии импульс наводок разделяется на два, а затем начинает распространяться в двух противоположных направлениях. В результате перекрестные наводки делятся на две части: прямые наводки, распространяющиеся вдоль направления распространения исходного интерференционного импульса, и обратные наводки, распространяющиеся в направлении, противоположном источнику сигнала.

Тип перекрестных помех и механизм связи

В соответствии с моделью, рассмотренной выше, ниже будет представлен механизм перекрестных помех, а также рассмотрены два типа перекрестных помех - прямые и обратные.

механизм емкостной связи

Механизм помех, вызванных взаимной емкостью в цепи:

>Когда импульс на интерферирующей линии достигает конденсатора, узкий импульс соединяется с интерферирующей линией через конденсатор.

>Амплитуда связанного импульса определяется величиной взаимной емкости.

>Затем связанный импульс делится на два и начинает распространяться в двух противоположных направлениях вдоль линии помех.

Индуктивность или трансформаторный механизм связи

Взаимная индуктивность в цепи вызывает следующие помехи:

>Импульс, распространяющийся по интерферирующей линии, зарядит следующую позицию, где появится всплеск тока.

>Такой всплеск тока создает магнитное поле, а затем индуцирует всплеск тока на интерферирующей линии.

>Трансформатор создаст два всплеска напряжения противоположной полярности на линии помех: отрицательный всплеск распространяется в прямом направлении, а положительный - в обратном.

обратные перекрестные наводки

Напряжение перекрестных наводок емкостной и индуктивной связи, обусловленное описанной выше моделью, будет создавать аддитивный эффект в месте перекрестных наводок мешающей линии. Результирующая обратная перекрестная наводка включает в себя следующие характеристики:

> Обратные перекрестные наводки представляют собой сумму двух импульсов одинаковой полярности.

>Поскольку перекрестные наводки распространяются по фронту импульса помехи, обратная помеха проявляется как низкоуровневый, широкий импульсный сигнал на исходном конце интерферирующей линии, и существует соответствующая зависимость между его шириной и длиной трассы.

>Амплитуда отраженных перекрестных помех не зависит от времени нарастания импульса в интерферирующей линии, но зависит от величины взаимного импеданса.

прямые перекрестные наводки

Необходимо еще раз подчеркнуть, что напряжение перекрестных наводок емкостной и индуктивной связи будет накапливаться в месте перекрестных наводок интерферирующей линии. Перекрестные наводки включают в себя следующие характеристики:

> Прямые наводки - это сумма двух импульсов обратной полярности. Поскольку полярность противоположна, результат зависит от относительной величины емкости и индуктивности.

>Перекрестные наводки появляются на конце линии с помехами в виде узкого всплеска шириной, равной времени нарастания импульса помехи.

>Перекрестные наводки зависят от времени нарастания импульса помехи. Чем быстрее нарастающий фронт, тем выше амплитуда и меньше ширина.

>Амплитуда прямых перекрестных наводок также зависит от длины пары: по мере распространения перекрестных наводок вдоль фронта интерференционного импульса прямой импульс перекрестных наводок в интерферирующей линии будет набирать большую энергию.

Характеристика перекрестных наводок

В этом разделе на примере измерений на однослойных печатных плат изучается механизм генерации перекрестных помех и несколько типов перекрестных помех, представленных выше.

Примечание: Чтобы ознакомиться с проблемами перекрестных наводок и их последствиями на многослойных печатных платах и их заземляющих плоскостях, пожалуйста, прочтите ссылки или другие ресурсы в конце этой статьи.

Приборы и настройки

Для эффективного измерения перекрестных помех в лаборатории необходимо использовать широкополосный осциллограф с полосой пропускания 20 ГГц и высококачественный генератор импульсов, который должен выдавать импульсы с временем нарастания, равным времени нарастания осциллографа, для управления тестируемой схемой. В то же время для подключения тестируемой печатной платы используются высококачественные кабели, оконечные резисторы и адаптеры.

Электронный модуль выборки 80E04 устанавливается в приборы серии Tektronix 8000B, которые представляют собой идеальную комбинацию приборов для успешного измерения перекрестных наводок. 80E04 - это двухканальный модуль выборки, включающий генератор ступенчатого напряжения TDR, который может генерировать узкий импульс 250 мВ с временем нарастания 17 с и выходом с импедансом источника 50 Ом. К тестеру необходимо подключить только тестируемую печатных плат.

Измерение прямых перекрестных наводок

Если вы измеряете только прямые перекрестные наводки, вам необходимо заделать все трассы, чтобы устранить отражения. Перекрестные наводки вперед следует измерять на конце хорошо заделанного провода с помехами.

Если взаимная индуктивность больше, чем наводки от взаимной емкостной связи, то импульс перекрестных наводок должен быть отрицательным на нарастающем фронте интерференционного импульса, а ширина равна времени нарастания интерференционного импульса. Прибор на рисунке показывает отрицательный импульс (C4) с амплитудой 48,45 мВ. Амплитуда импульса помехи составляет 250 мВ, а амплитуда наводок - почти 50 мВ, поэтому быстрый фронт импульса помехи создает 20 % наводок на интерферируемой линии.

Поскольку входное ступенчатое напряжение от 80E04 имеет очень быстрый фронт во время измерения, полученные перекрестные наводки слишком велики и не могут представлять управляющий сигнал в реальной логической схеме. Например, если управляющий сигнал поступает от КМОП-затвора длительностью 1,5 нс, генерируемый импульс перекрестных помех шире и имеет меньшую амплитуду. Чтобы измерения отражали эту ситуацию, можно использовать функцию Define Math прибора для добавления фильтра низких частот после захвата сигнала. Форма сигнала M1 (белая) на рисунке 7 показывает результаты измерений после фильтрации. Следует отметить, что M1 в 10 раз более чувствителен в вертикальном направлении, чем нефильтрованная форма сигнала.

Хотя математический анализ доказал, что эффект фильтрации низких частот после захвата сигнала такой же, как и эффект физической фильтрации импульсов помех, подключенных к линии, следующие шаги являются более убедительными:

>Измерьте перекрестные помехи, вызванные двумя нарастающими фронтами, быстрым и медленным, и помеховым импульсом одинаковой амплитуды,

>Затем измените перекрестные помехи, вызванные импульсом помехи с быстрым нарастающим фронтом, на перекрестные помехи, вызванные импульсом помехи с медленным нарастающим фронтом, через фильтр низких частот и проверьте результат.

>$волновая форма (R2) - это импульс помехи с медленным фронтом, а красная волновая форма (R3) - вызванные им перекрестные помехи.

> Зеленая форма волны - это импульс TDR с быстрым фронтом (R1), а белая форма волны (R4) - перекрестные помехи, вызванные им.

> Синяя форма волны - это форма волны, полученная путем замедления нарастающего фронта импульса после фильтрации белой формы волны, и она представляет собой результат постфильтрации перекрестных помех. Красная и синяя формы сигнала перекрестных помех, показанные на рисунке, отображаются на одной и той же шкале напряжений.

При одиночном измерении обратных перекрестных наводок для устранения отражения необходимо соединить линию помех и линию помех резистором 50 Ом. Измерения следует проводить на левом конце интерферирующей линии. Амплитуда отраженного импульса очень мала, а ширина вдвое больше длины линии, поскольку перекрестные помехи на конце трассы должны передаваться обратно на исходный конец трассы. При измерении обратных перекрестных наводок перекрестные наводки, генерируемые интерференционным импульсом с быстрым краем, составляют около?мВ, что эквивалентно 4% амплитуды интерференционного импульса. Величина обратных перекрестных помех никак не связана со временем нарастания интерференционного импульса. Следующие две осциллограммы представляют собой перекрестные помехи, генерируемые импульсом с медленным краем, и перекрестные помехи, генерируемые импульсом с быстрым краем после фильтрации. Их амплитуды составляют 6.5 мВ. Разница между длиной трассы и временем нарастания интерференционного импульса делает амплитуду обратных перекрестных помех, генерируемых импульсом с медленным краем, меньше.

Поскольку время нарастания интерференционного импульса в это время превышает длину линии трассы, фронт импульса не достиг пика амплитуды, когда он передается обратно на исходный конец трассы вдоль направления трассы. На рис. 11 показаны результаты измерения перекрестных наводок, полученные при использовании в качестве импульсов помех генератора с временем нарастания 200 пс (DG2040) и выхода генератора 17 пс модуля выборки 80E04. Все три формы сигналов наводок, показанные на рисунке, используют шкалу напряжения 5 мВ/дел.

Среди них белая форма волны является результатом наводок, генерируемых интерференционным импульсом с временем нарастания 17 пс после фильтрации (постфильтрации) до времени нарастания 200 пс. Эти измерения подтвердили, что если время нарастания импульса помехи не превышает длину трассы, то время нарастания не влияет на обратные перекрестные наводки. Если же время нарастания импульса помехи превышает длину трассы, то генерируемая амплитуда обратных перекрестных помех меньше, поскольку в этом случае фронт импульса не может достичь пиковой амплитуды даже после того, как фронт импульса проходит всю трассу.