Handelt es sich um gleichzeitiges Schaltrauschen oder Übersprechen?

Angesichts der Vielzahl von Signalintegritätsproblemen, die bei echten PCBs auftreten können, wie kann der scharfsinnige Designer sie alle unterscheiden? Einige Probleme sind klarer als andere, wobei spezifische Messungen der Signalintegrität entwickelt wurden, um bestimmte Aspekte des Signalverhaltens zu testen und zu messen.

Eine Frage, die aufkommt, betrifft das Auftreten einer Schwankung in der Ausgangsspannung an einem Bank von I/Os, bekannt als gleichzeitiges Schaltrauschen oder, populärer, als Ground Bounce. Wenn man die Spannung untersucht, die induziert wird, wenn mehrere Ausgänge gleichzeitig schalten, sieht diese Art von Potenzialschwankung sehr nach induktivem Rückwärts- (d.h. nahendem) Übersprechen aus. Tatsächlich könnten mehrere Signalintegritätsprobleme gleichzeitig auf einer einzelnen Verbindung vorhanden sein. Wie können Sie also zwischen den beiden richtig unterscheiden und feststellen, ob Ihr Layout eine Änderung benötigt? Lassen Sie uns die beiden Effekte aufschlüsseln und bestimmen, welcher einen größeren Einfluss auf die Signalintegrität hat.

Was ist gleichzeitiges Schaltrauschen?

Ich habe gesehen, dass IC-Designer typischerweise den Begriff „simultanes Schaltungsrauschen“ verwenden, während PCB-Designer häufiger „Ground Bounce“ zur Beschreibung desselben Phänomens nutzen. Simultanes Schaltungsrauschen bezieht sich auf eine scheinbare Änderung des Potenzials der Masseebene in der Nähe eines schaltenden ICs. In Wirklichkeit hat sich das Potenzial der Masseebene auf der PCB nicht verändert, sondern es hat sich ein Potenzial zwischen der Masseebene der PCB und der Masseebene des Package-Dies entwickelt.

Dies ist ein parasitärer Effekt, der aufgrund der parasitären Induktivität von Pin-Package entsteht. In einem idealen IC sind das Bond-Draht, das Lead-Frame und jegliches Kupfer, das den Ground-Pin mit der Masseebene der PCB verbindet, perfekte Leiter mit null Induktivität, aber reale PCBs verhalten sich nicht auf diese Weise. Wenn der IC schaltet, entwickelt die parasitäre Induktivität in diesen Elementen (die alle in Serie genommen werden können) ein Potenzial, das dem Stromstoß zwischen der Masseebene der PCB und dem I/O-Pufferkreis auf dem Halbleiter entgegenwirkt.

Das typische Schaltungsmodell, das verwendet wird, um diese Parasitäten zu verstehen, ist unten dargestellt.

• Erfahren Sie mehr über Ground Bounce in diesem Artikel

Da die Masseebene die Referenz für den Ausgangspin und den Die ist, muss eine nicht Nullspannung zwischen der Masseebene des Treibers und der Masseebene der Leiterplatte bestehen, während der Empfänger auf die Masseebene der Leiterplatte bezogen ist. Schauen Sie sich diesen Artikel für weitere Informationen über Ground Bounce an.

Wenn Sie auf einer Oszilloskopspur die Ausgabe von einem I/O verfolgen, kann sie aufgrund des entlang des oben genannten Weges fließenden Stroms ein Klingeln zeigen. Wenn mehrere I/Os gleichzeitig schalten, ziehen sie effektiv parallel von derselben I/O-Stromversorgung. Effektiv überlagern sich die von mehreren I/Os erzeugten Gegen-EMKs auf einem Opfer-I/O aufgrund des erhöhten gemessenen Massepotentials in der Nähe des Opfers. Das Ergebnis ist typischerweise eine unterdämpfte Klingelwellenform.

Wie kann dieses Klingeln reduziert werden? Die Gründe dafür sind wie folgt:

• Unzureichende Entkopplungs- und/oder Bypass-Kapazität an der I/O-Stromversorgung
• Unzureichende Dämpfung entlang des Strompfads entlang des I/O-Puffers
• Übermäßige Induktivität entlang der GND-Spur und des GND-Rückwegs
• Übermäßige Induktivität entlang des Pfads der Bypass-Kapazität

Normalerweise reduzieren wir die Induktivität, indem wir eine GND-Ebene verwenden (um die Streuinduktivität zu reduzieren) und einen direkten Leiterbahnpfad zu jeder GND-Verbindung bereitstellen. Dann stellen wir sicher, dass auch die Verbindung zum Bypass-Kondensator kurz ist, sodass auf diesem Weg keine Induktivität vorhanden ist.

Die Verwendung eines Serienwiderstands zur Dämpfung wird typischerweise nicht in einem Hochgeschwindigkeitskanal verwendet, da die Flankensteilheit zu langsam wird und zu viel Leistung über den Widerstand verloren geht, wenn man eine kritische Dämpfung an der Flanke anstrebt. Es kann bei langsameren Baudratenbussen mit schneller Flankensteilheit, wie SPI, verwendet werden, da diese Busse die schnelle Flankensteilheit nicht benötigen und sie keine Impedanzspezifikation haben.

Vergleich mit rückwärtigem Übersprechen

Wenn Sie den Ausgang von einer schlecht umgangenen Komponente messen, ähnelt die Spannungsschwankung am Ausgang einem Signal, das wie ein Spannungs-/Stromspitze aufgrund von induktivem NEXT aussieht. Das Problem bei der Unterscheidung der beiden hängt mit Parasiten zusammen:

• Echte Masseebenen und Rückleitungswege von ICs haben parasitäre gegenseitige Induktivität und Widerstand. Mit anderen Worten, sie können Übersprechen zwischen sich übertragen, genau wie ein Paar von Signalleiterbahnen.
• Wenn ein IC nicht von der Masseebene entkoppelt ist, kann die durch NEXT und Ground Bounce erzeugte Spannung ähnlich sein, da die parasitären Induktivitäten in ihrer Größe und Polarität ähnlich zu sein tendieren.

Der zweite Punkt, den ich erwähnt habe, ist der Grund, warum Bypass-Kondensatoren in der Nähe von ICs mit hoher Ausgangspinanzahl/schnellen Anstiegszeiten/starkem Stromverbrauch verwendet werden. Genau wie bei Entkopplungskondensatoren in PDNs, entkoppelt oder umgeht ein auf diese Weise verwendeter Bypass-Kondensator nichts. Stattdessen stellt er einfach ein Reservoir an Ladung (und Spannung) bereit, das für Ground Bounce oder andere Spannungsschwankungen zwischen dem Ausgang und der Masse kompensiert.

Hier habe ich eine überdämpfte Reaktion in NEXT und FEXT gezeigt, aber jedes dieser Signale kann Schwingungen aufweisen, wenn die parasitäre Eigeninduktivität hoch ist. Obwohl die Ground Bounce-Welle in einem äquivalenten RL-Kreis auftritt, kann sie auch aufgrund von Streukapazitäten Schwingungen zeigen; dies tritt im Allgemeinen bei CMOS-Komponenten auf. Darüber hinaus wird die Dämpfung, die diese Signale erfahren, von der Lastimpedanz abhängen. Da diese Signale ziemlich dramatisch sein können, können sie unbeabsichtigtes Schalten im Empfänger verursachen, wenn die Rauschmarge dünn ist.

Wie man gleichzeitiges Schaltungsrauschen und NEXT unterscheidet

Dies kann eine schwierige Aufgabe sein, insbesondere wenn man mit einem Prototypen-Board arbeitet, das einige Signalprobleme aufweist. Der Schlüssel liegt darin, die Effekte von Übersprechen und gleichzeitigem Schaltungsrauschen zu trennen. Die Standardkonfiguration zur Messung von Ground Bounce besteht darin, einen isolierten Leiter (ein Koaxialkabel ist ideal) von einer Lastkomponente direkt an ein Messgerät zu verdrahten, das auf demselben Erdpotenzial wie der Treiber und der Empfänger gehalten wird. Halten Sie den treibenden Ausgang an diesem Pin NIEDRIG und steuern Sie alle anderen Ausgänge auf dem Treiber. Dies ermöglicht eine direkte Messung von Ground Bounce, aber diese Konfiguration hat immer noch ein Problem, da die NIEDRIGE Spur immer noch anfällig für Übersprechen ist.

Glücklicherweise gibt es einen besseren Weg, dies zu tun. Howard Johnson empfiehlt, dies zu tun, indem man die verdächtige Opferleitung durchtrennt und ein Koaxialkabel mit angepasster Impedanz direkt vom Treiber und dem Empfänger anschließt und das Signal misst, das in das Koaxialkabel eintritt. Das Koaxialkabel wird gegen Übersprechen abgeschirmt sein, was es Ihnen ermöglicht, Spannungsschwankungen aufgrund von Ground Bounce allein in diesem Leiter zu messen. Diese gemessene Spannung wird von allen anderen schaltenden Ausgängen gesehen, während jegliche Spannungsschwankung durch Übersprechen über alle Leiterbahnen variieren wird. Beachten Sie, dass in dieser Konfiguration der Treiberausgang, der mit dem Koaxialkabel verbunden ist, ebenfalls auf LOW gehalten werden sollte, während die restlichen I/Os angesteuert werden.

Wenn Sie eine Variation im Ausgang von einem IC messen und Sie vermuten, dass der Ground Bounce übermäßig ist, ist vielleicht die einfachste Überprüfung, Ihren Bypass-Kondensator gegen einen größeren Kondensator auszutauschen. Der Bypass-Kondensator wird das Übersprechsignal nicht beeinflussen, aber er wird das Ground-Bounce-Signal beeinflussen. Wenn Sie die Bypass-Kapazität erhöhen und die Spannungsschwankung sich nicht signifikant ändert (oder überhaupt keine Änderung auftritt), wissen Sie, dass starker Ground Bounce nicht die Quelle des Problems ist.

Mit den Werkzeugen für die Post-Layout-Simulation und die Übersprech-Analyse in Altium Designer® können Sie einfach Übersprechen in Ihrem Layout simulieren und dies als Referenz für weitere Messungen verwenden. Diese Ergebnisse können als Referenz für Test- und Messergebnisse verwendet werden, was Ihnen hilft zu überprüfen, ob gleichzeitiges Schalten von Rauschen größere Probleme auf Ihrer Platine verursacht. Sie haben auch Zugang zu einer breiten Palette von Werkzeugen für Schaltungssimulationen, die Verwaltung von Komponentendaten und die Vorbereitung auf die Produktion.

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