PCB Teknik - Yüksek hızlı PCB tasarım yöntemleri: Yüksek hızlı Dijital Sistemlerin Crosstalk Kontrolü

İçeri: Yüksek frekans devrelerinde, karışık konuşma anlamak ve tahmin etmek en zor olabilir, ama kontrol edilebilir ya da hatta yok edilebilir.

Değiştirme hızı arttıkça, modern dijital sistemler, sinyal refleksiyonu, gecikti kaybolma, karıştırma ve elektromagnetik uyumluluğu başarısızlarına karşılaştı. Tümleşik devreyi değiştirme zamanı 5 nanosaniye veya 4 nanosaniye kadar düştüğünde, basılı devre tahtasının içindeki özellikleri kendisi ortaya çıkmaya başladı. Maalesef, bu özellikler zararlı ve tasarım sürecinde olabildiğince kaçınmalıdır. Yüksek frekans devrelerinde, karışık konuşması anlamak ve tahmin etmek en zor olabilir ama kontrol edilebilir ya da yok edilebilir.

Birinci konuşma nedeni?

Sinyal basılı devre tahtasının dönüşünün boyunca yayıldığında, elektromagnet dalgası da sürüşünün bir ucundan, integral devre çipinin diğer ucundan yayılır. Propagasyon sürecinde elektromagnetik dalgalar elektromagnetik induksyonu yüzünden geçici voltaj ve akışlar nedeniyle oluyor.

Elektromagnetik dalgalar zamanında değişen elektrik ve manyetik alanlar içeriyor. Bastırılmış devre tahtasında, aslında elektromagnet alanı farklı sürüklemeye sınırlı değil, elektromagnet alanının önemli bir parçası sürükleme dışında var. Bu yüzden, yakın diğer hatlar varsa, sinyal bir kabla boyunca yayıldığında, elektrik ve manyetik alanları diğer hatlara etkileyecek. Maxwell'in denklemesine göre, zamanlı değişiklik elektrik ve manyetik alanları yakın yöneticiler voltaj ve akşamlar oluşturmasına neden olur. Bu yüzden, sinyal yayınlama sürecine eşlik eden elektromagnetik alan yakın hatlar sinyalleri oluşturur ve bu konuşmaya yol açar.

Bastırılmış devre tahtalarında, kısıtlık konuşmasına neden olan çizgiler sık sık "saldırıcılar" denir. Kısaca konuşma müdahale konusu genelde "kurban" denir. Her "kurbanın" karşılaştırma sinyali ön karşılaştırma sinyaline ve arka karşılaştırma sinyaline bölünebilir. Bu iki sinyal bölümcü kapasitel bağlantı ve etkileyici bağlantı tarafından nedeniyor. Kısaca konuşma sinyalinin matematiksel tanımlaması çok karmaşık, fakat göldeki yüksek hızlı bir tekne gibi, ileri ve arka konuşma sinyallerinin sayısal özellikleri hala insanlar tarafından anlayabilir.

Yüksek hızlı gemiler su üzerinde iki etkisi var. İlk olarak, hızlı tekne dalgalarını yukarıda kaldırır, ve çarpı şeklindeki parçalar hızlı tekneyle ilerliyor gibi görünüyor. İkinci olarak, hızlı gemi bir süre boyunca yolculuğunda, uzun su izlerini geride bırakacak.

Bu "kurbanın" tepkisine benziyor. Sinyal "saldırgan" tarafından geçtiğinde. "Kurbanın" içinde iki tür karışık konuşma sinyalleri var: giriş sinyali önündeki sinyali, geminin yuvarlarındaki su ve parçaları gibi; Gemi uzaklaştıktan sonra göldeki su izlerinin arkasındaki sinyali gibi.

2. Önümüzdeki karşılaştırma özellikleri

İlerleme karışık konuşması iki bağlantı özellikleri olarak gösterir: kapasitel ve görünümlü. "Saldırıya" sinyali gelince aynı fazın voltaj sinyali "kurbanın" içinde oluşturulacak. Bu sinyal "saldırıya" sinyali ile aynı hızlı, ama her zaman "saldırıya" sinyali önünde. Bu anlamına geliyor ki, karışık konuşma sinyali önceden yayılmayacak, ama "giriş" sinyali ile aynı hızla daha fazla enerji birleştirilecek.

"İlginç" sinyalinin değişikliğinden dolayı karışık konuşma sinyalini neden ediyor, ön karışık konuşma pulusu eşsiz değildir, ama pozitif ve negatif polaritiler de var. Nabz uzunluğu "intrusion" sinyalinin değiştirme zamanına eşit.

Biletler arasındaki birleşme kapasitesi ileri konuşma pulusunun genişliğini belirliyor ve birleşme kapasitesi, basılmış devre tahtasının materyali, geometrik boyutu, çizgi geçmesinin posisyonu ve bunlar gibi birçok faktörler tarafından belirliyor. Ampliyet paralel çizgiler arasındaki uzaklığına uygun. Çift konuşma pulsu daha büyük. Ancak, karıştırma pulusunun genişliğin in üst sınırı var çünkü "girişim" sinyali enerji hızlı kaybediyor ve "kurbanın" çiftini "saldırgana" dönüştürüyor. Önümüzdeki karşılaştırma özellikleri

"intrusion" sinyali yayıldığında, zaman değişikli manyetik alanı da karışık konuşma yapacak: etkileyici özelliklerle karışık konuşma önünde. Fakat farklı görünüşlü karşılaştırma ve kapasitetli karşılaştırma açıkça farklıdır: ileri görünüşlü karşılaştırma polyarlığı ileri kapasitetli karşılaştırma ile karşılaştırılmıştır. Çünkü ön yönünde, karşılaşmanın kapasitetli ve görünümlü parçaları birbirlerini yarıştırıp iptal ediyor. Aslında, ileri kapasitet ve görünümlü karşılaştırma eşit olduğunda, ileri karşılaştırma yok.

Birçok aygıtlarda, ön karşılaşma oldukça küçük ve arka karşılaşma önemli bir sorun oluyor, özellikle uzun strip devre tahtaları için, çünkü kapasitet bağlantı arttırıldı. Ancak simülasyon olmadan, görünümlü ve kapasitel bir karışık konuşmanın ne kadar iptal edildiğini bilmek neredeyse imkansız.

Eğer ön karşılaştırma konuşmasını ölçürseniz, izlerinizin polariteye dayanarak kapasitelik veya etkileyici olarak birleşmiş olup olmadığını belirleyebilirsiniz. Eğer karşılaştırma polyarlığı "girişim" sinyali ile aynı ise, kapasitet bağlantısı dominat olacak, yoksa induktif bağlantı dominat olacak. Bastırılmış devre tahtalarında etkileyici bağlantı genellikle daha güçlü.

Arka karışık konuşmanın fiziksel teorisi ön karıştırma konuşmasının aynısı: zaman değişikliği "girişim" sinyallerinin elektrik ve manyetik alanların "kurbanın görünümlü ve kapasiteli sinyallerine sebep ediyor. Ama ikisinin arasında farklılıklar da var.

En büyük fark, arka konuşma sinyalinin uzunluğudur. Çünkü ön karşılaştırma ve "giriş" sinyallerinin propagasyon yönü ve hızı aynı, ön karşılaştırma süreci "giriş" sinyallerinin aynı. Yine de arka karışık konuşması ve "girişim" sinyali tersi yönde yayılır, "saldırım" sinyalinin arkasında kalır ve uzun puls treni sebep ediyor.

Yön karşılaştırma konuşmasına göre, arka karşılaştırma pulusunun genişliği çizgi uzunluğuyla ilgisi yok, ve puls uzunluğu "intrusion" sinyalinin ikinci kez gecikme zamanıdır. Neden? Sinyalin başlangıç noktasından arkadan geçiş konuşmasını izleyeceksiniz. "intrusion" sinyali başlangıç noktasından uzakta olduğunda, başka bir gecikti sinyal ortaya çıkana kadar yine de geriye puls üretiyor. Bu şekilde, arka konuşma pulusunun bütün süredi "giriş" sinyalinin iki kez gecikme zamanıdır.

3. Arka karışık konuşmanın yansıması

Şoför çipi ve alıcı çipi arasındaki karışık konuşma aracılığı umursamazsınız. Ama neden arka pulsleri umursamalısın? Çünkü sürücü çip genellikle düşük impedans çıkışı, sarsıntı sinyallerinden daha fazla gösteriyor. Arka karşılaşma sinyali "kurbanın sürücüsüne ulaştığında, alacak çipine yansıtılacak. Çünkü sürücü çipinin çıkış direksiyonu genellikle kablo kendisinden daha düşük olduğu için sık sık konuşma sinyalinin yansımasını neden ediyor.

İki özellikleri olan ön karşılaştırma sinyaline benzemiyor: etkileyici ve kapasiteli, arka karşılaştırma sinyali sadece bir polarite sahiptir, bu yüzden arka karşılaştırma sinyali kendini iptal edemez. Arka karıştırma sinyalinin polaritesi ve yansıtmadan sonra karıştırma sinyali "giriş" sinyali ile aynı, ve genişliği iki parças ının toplamıdır.

Hatırlayın, kurbanın sonunda arka tarafından geçiş konuşma pulusunu ölçürseniz, bu kısıtlık sinyali "kurbanın" sürücü çipi tarafından yansıtıldı. Arka konuşma sinyalinin polyarlığının "giriş" sinyaline karşı olduğunu izleyebilirsiniz.

Dijital tasarımda, sık sık sayısal göstericiler umurunda olursunuz. Örneğin, karşılaştırma nasıl ve ne zaman, ileri veya geri döndüğünde, onun maksimum ses toleransı 150mV olur. Sesi tam olarak ölçülemenin basit bir yolu var mı? Basit cevap "hayır", çünkü elektromagnetik alan etkisi çok karmaşık, bir dizi denklemler, devre tahtasının topoloji, çipinin analog özellikleri ve bunlar dahil.

4. Satır uzunluğu

Çoğu tasarımcılar çizgi uzunluğunu azaltmak için anahtar olduğuna inanıyor. Aslında neredeyse tüm devre tasarım yazılımı en fazla paralel çizgi uzunluğu kontrol fonksiyonu sağlar. Maalesef, sadece geometrik değeri değiştirmek zor.

Çünkü önümüzdeki karıştırma uzunluğu, bağlantı ilişkisi olmayan çizginin uzunluğunu kısalttığınızda neredeyse karıştırma uzunluğu tarafından etkilenir. Ayrıca, eğer bağlama uzunluğu sürücü çipinin düşük veya yükselmesi zamanının gecikmesini a ştıysa, bağlama uzunluğu ve ön karıştırma konuşması arasındaki lineer ilişkisi yükselmesi değerine ulaşacaktır. Bu zamanlar, çoktan uzun bir bağlantı çizgisini kısaltmak kısa konuşmayı azaltmak üzere küçük etkisi var.

Düzgün bir yöntem, birleşmiş çizgiler arasındaki mesafeyi genişletilmek. Neredeyse tüm durumlarda, birleşmiş çizgileri ayrılmak, karışık konuşma araştırmalarını çok azaltır. Eğitimin arka karıştırma amplitüsü birbirine bağlı çizgiler arasındaki uzağın karesine yaklaşık tersiyle proporsyonal olduğunu kanıtladı, yani, eğer uzağını ikiye katlarsanız, karıştırma konuşması üç çeyrek tarafından azaltılacaktır. Bu etkisi geriye karıştırma konuşması dominant olduğunda daha fazla ifade edilir.

5. Çapraz iptal edilmesi

Pratik bir bakış noktasından en önemli sorun, karışık konuşmayı nasıl sileceğidir. Çapraz konuşması devre özelliklerini etkilediğinde ne yapacaksınız?

Bu iki strateji evlat edinebilirsiniz. Bir yöntem, birleşme etkisini etkileyen bir ya da çok geometrik parametre değiştirmek, tıpkı çizgi uzunluğu, çizgi arasındaki mesafe ve devre tahtasının katlı pozisyonu gibi. Başka bir yöntem, tek çizgini çokanallı bir çizge değiştirmek için terminalini kullanmak. Mantıklı bir tasarımla, çoklu çizgi terminal çoğunu kesebilir.

6. Bölüm zorlukları

Birlikte çizgiler arasındaki mesafeyi artırmak kolay değil. Eğer sürücünüz çok yoğun olursa, sürücü yoğunluğunu azaltmak için çok çaba harcamalısınız. Eğer karışık konuşma araştırmalarından endişelenirseniz, bir ya da iki katı ayrılabilirsiniz. Eğer hatlar veya a ğlar arasındaki mesafeyi genişlemek zorunda olsanız, çalışmak kolay bir yazılım olmalısınız. Dönüş genişliği ve kalınlığı aynı zamanda karışık konuşma araştırmasına etkiler, ama etkisi devreğin uzak faktöründen çok daha küçük. Bu yüzden, bu iki parametre genelde nadiren ayarlanır.

Çünkü devre tahtasının insulating materyali bir dielektrik konstantüsü olduğu için, hatlar arasında birleşme kapasitesini de oluşturacak. Bu yüzden dielektrik konstantünü de azaltmak üzere karıştırma aracını da azaltır. Bu etki pek açık değil, özellikle de dielektrik'in mikrostrip devresinin bir parçası çoktan havadır. Daha önemlisi, dielektrik konstantünü değiştirmek çok kolay değil, özellikle pahalı ekipmanlarda. Çalışma, FR-4 yerine daha pahalı maddeler kullanmak.

Diyelektrik materyalinin kalınlığı, büyük uzunluğun üzerinde karışık konuşma araştırmasını etkiler. Genelde, elektrik katmanına (Vcc veya yere) yakın düzenleme katmanı kısa konuşma arayüzünü azaltır. Geliştirme etkisinin tam değeri simülasyonuyla belirlenmeli.

7. Düzenleme faktörleri

Bazı izlenmiş devre kurulu tasarımcıları hâlâ yüksek hızlı devre tasarımında büyük bir hata olan layering yöntemine dikkat etmezler. Yerleştirme sadece iletişim hatının performansını etkilemiyor, yani impedance, gecikme ve bağlantısı gibi, aynı zamanda devre operasyonu kötülüğüne yaklaşıyor ya da bile değiştirmeye rağmen. Örneğin, 5 mil diyelektrik kalınlığını azaltmak üzere karışık konuşma araştırmalarını azaltmak imkânsız. Fakat pahalı ve süreç açısında yapılabilir.

Üzerine bakmak kolay olan başka bir faktor, katların seçimi. Çoğu durumda, ileri geçiş konuşması mikrostrip devrelerindeki ana karışık konuşma etkisidir. Fakat tasarım mantıklı olursa, kablo katı iki güç katı arasında bulundur, böylece kapasitet bağlama ve etkileşimli bağlama iyi dengelenir ve düşük amplitüyle arkasında karıştırma konuşması ana faktör olur. Bu yüzden simulasyon sırasında nasıl karışık konuşma müdahale etkisine dikkat etmelisiniz.

Düzenleme ve çip arasındaki pozisyonal ilişki de karışık konuşmayı etkiler. Çünkü arka karışık konuşması alıcı çipine ulaşır ve sürücü çipine yansıtılır, sürücü çipinin yeri ve performansı çok önemlidir. Topoloji, yansıtmalar ve diğer faktörlerin karmaşıklığı yüzünden, genellikle karmaşık konuşmalar tarafından kim etkilendiğini açıklamak zor. Eğer seçmeleri gereken çoklu topolojik yapılar varsa, hangi yapıya karşılaştırma üzerinde en az etkilendiğini belirlemek için simulasyon kullanmak en iyisi.

Çapraz konuşmasını azaltabilecek geometrik olmayan bir faktör sürücü çipinin teknik göstericisidir. Genel prensip, bir sürücü çipi seçmek için uzun dönüştürme zamanıyla karışık konuşma araştırmalarını azaltmak (hızla yüzünden başka bir sürü sorunları çözmek için aynı şekilde doğru). Çapraz konuşması değiştirme zamanıyla kesinlikle proporsyonal değilse bile, değiştirme zamanını azaltmak hala önemli bir etkisi olacak. Çoğu durumda sürücü çip teknolojisini seçemezsiniz, hedefinizi ulaştırmak için sadece geometrik parametreleri değiştirebilirsiniz. Konuşmayı terminal üzerinden azaltın

Hepimiz bildiğimiz gibi, bağımsız, bağımsız bir iletişim çizgi terminal impedansı ile uyuşuyor, yansıtmayacak. Şimdi birbirlerine karışık konuşma ile üç iletişim hatlarını ya da birbirlerine birkaç iletişim hatlarını düşünün. Eğer devre analizi yazılımını kullanırsanız, bir çift matris oluşturabilirsiniz, gönderme çizgisini kendisini temsil edersiniz, birbirinizin kapasitesi ve induktans arasında. Örneğin, üç iletişim hattı, bu C ve L matris olabilir:

Bu matriklerde, çizgi elementler transmit hatlarının kendi değerleridir, ve çizgi elementler transmit hatlarının arasındaki değerlerdir. (Birim uzunluğunda pF ve nH olarak ifade ediliyorlar). Bu değerleri belirlemek için sofistikli bir elektromagnetik alan testeri kullanabilir.

Görülebilir ki, her gönderme çizgilerinin özellikle bir impedans matrisi de vardır. Bu Z0 matrisinde, çizgi elementi gönderme hatının impedans değerini yere gösterir ve çizgi dışı elementi gönderme hatının birleşme değeridir.

Eğer terminal Z0 ile eşleştirilmiş impedans matrisi ise, matrisi neredeyse aynı. İhtiyarlı impedans Z0'daki değeri olmak zorunda değildir, formlu impedans ağı Z0'ya eşleşen sürece. İmpadans matrisi sadece gönderme çizgisinin engellemesi değil, aynı zamanda gönderme çizgileri arasındaki engellemesi de dahil ediyor.

Böyle bir impedans matrisinin iyi özellikleri var. İlk olarak, karşılaştırılmamış hatlarda karşılaştırılmasını engelleyebilir. Daha önemlisi, oluşturulan karışık konuşmayı silebilir.

8. Lethal silahlar

Maalesef, bu terminal ideal olarak ulaşmak pahalı ve imkansız, çünkü bazı transmis hatlarının arasındaki bağlantı engellemesi çok küçük, bu yüzden sürücü çipine büyük bir akışın akışını sağlayacak. İletişim hattı ve toprak arasındaki impedans çipi sürmek için çok büyük olamaz. Eğer bu sorunlar varsa ve bu tür terminal kullanmayı planlıyorsanız, birkaç AC bağlama kapasitelerini ekleyin.

İşlemde bazı zorluklar var ama, impedance tablosu terminal hâlâ sinyal refleksiyonu ve karıştırma konusu ile ilgilenmek için ölümcül bir silah, özellikle zor koşullar için. Diğer çevrelerde, işe yarayabilir ya da olmayabilir, ama hâlâ önerilen bir yöntem.