Störungsübertragung ist ärgerlich bei PCBs, lernen Sie, wie man Übersprechen mit dem Experten Lee Ritchey eindämmt

Die Begriffe Übersprechen und Kopplung werden verwendet, um die Einspeisung elektromagnetischer Energie von einer Übertragungsleitung in eine andere in der Nähe verlaufende zu beschreiben. Auf gedruckten Schaltungen tritt Übersprechen üblicherweise auf, wenn zwei Leiterbahnen nebeneinander auf derselben Schicht oder eine direkt über der anderen in benachbarten Schichten verlaufen. Diese gekoppelte Energie erscheint als Rauschen auf der betroffenen Leiterbahn und kann Fehlfunktionen verursachen, wenn die Amplitude zu groß ist. Erfahren Sie, wie dieses Rauschen von Bahn zu Bahn übertragen wird und welche Methoden es gibt, um dies zu verhindern.

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ÜBERSPRECHEN ODER KOPPLUNG

Die Begriffe Übersprechen und Kopplung werden verwendet, um die Einspeisung elektromagnetischer Energie von einer Übertragungsleitung in eine andere in der Nähe verlaufende zu beschreiben. Auf gedruckten Schaltungen tritt Übersprechen üblicherweise auf, wenn zwei Leiterbahnen nebeneinander auf derselben Schicht oder eine direkt über der anderen in benachbarten Schichten verlaufen. Diese gekoppelte Energie erscheint als Rauschen auf der betroffenen Leiterbahn und kann Fehlfunktionen verursachen, wenn die Amplitude zu groß ist. Dieser Abschnitt wird beschreiben, wie dieses Rauschen von Bahn zu Bahn übertragen wird und welche Methoden es gibt, um dies zu verhindern.

Abbildung 1 zeigt ein Diagramm mit zwei nebeneinander verlaufenden Übertragungsleitungen. Die obere Übertragungsleitung wird als schaltend dargestellt, während die untere inaktiv ist. Beachten Sie, dass es zwei Wellenformen neben der betroffenen Leitung gibt. Eine befindet sich am Ende der Leitungen, wo der Treiber an der angetriebenen Leitung ist, und die andere am gegenüberliegenden Ende oder am weit entfernten Ende. Beachten Sie, dass die Wellenformen unterschiedlich sind. Die Wellenform am Treiberende der betroffenen Leitung wird üblicherweise als rückwärtiges Übersprechen oder „nahes Ende Übersprechen“, „NEXT“ bezeichnet, und die Wellenform am weit entfernten Ende der betroffenen Leitung ist „vorwärts Übersprechen“ oder „fernes Ende Übersprechen“, „FEXT“.

Wie genau diese beiden Wellenformen aussehen werden, hängt davon ab, was sich an den vier Enden der Übertragungsleitungen befindet. Die Möglichkeiten sind: ein Kurzschluss, ein Abschluss oder ein offener Stromkreis. Referenz 1 am Ende dieser Einheit beschreibt detailliert, wie diese Endabschlüsse die auf der Opferleitung gesehenen Signale beeinflussen. Aus diesem Papier wird ersichtlich, dass der schlimmste Fall eintritt, wenn die fernen Enden beider Leitungen offene Stromkreise sind und das nahe Ende der Opferleitung ein Kurzschluss ist. Das ist genau die Art und Weise, wie die meisten CMOS-Schaltungen funktionieren. Unter diesen Bedingungen werden die Wellenformen, die auf der Opferleitung zu sehen sind, den in Abbildung 1 gezeigten sehr ähnlich sehen.

In dieser Diskussion wird die Analyse unter Verwendung dieses „schlimmsten Falls“ von Bedingungen durchgeführt.

Abbildung 1 Zwei nebeneinander liegende Übertragungsleitungen interagieren

Abbildung 2 zeigt, wie die beiden Formen des Übersprechens (vorwärts und rückwärts) variieren, wenn die Länge, die die beiden Übertragungsleitungen nebeneinander zurücklegen, länger wird. Beachten Sie, dass das Vorwärtsübersprechen langsamer zunimmt als das Rückwärtsübersprechen, wenn die gekoppelte Länge länger wird. Außerdem ist zu beachten, dass es einen Punkt gibt, an dem das Rückwärtsübersprechen nicht mit Zunahmen in der gekoppelten Länge zunimmt. Dies wird als „kritische Länge“ bezeichnet oder die Länge, bei der das Rückwärtsübersprechen nicht weiter zunimmt oder sättigt.

Vorwärts gerichtetes Übersprechen nimmt viel langsamer zu als rückwärts gerichtetes Übersprechen und wird bei gedruckten Schaltungen nicht zum Problem, da die Länge der parallelen Verlegung zu kurz ist. Diese Form des Übersprechens war ein großes Problem für Telefonunternehmen, als die Leitungen viele Meter lang waren. Dieser Abschnitt konzentriert sich auf Methoden zur Kontrolle von rückwärts gerichtetem Übersprechen.

Abbildung 2. Vorwärts und Rückwärts gerichtetes Übersprechen als Funktion der gekoppelten Länge

Methoden zur Kontrolle von Rückwärts gerichtetem Übersprechen bei nebeneinander Verlegung

Wenn Übertragungsleitungen nebeneinander verlaufen, wird der Kopplungsmechanismus von der magnetischen Komponente des elektromagnetischen Feldes dominiert. Bei einer Über- und Unterführung wird das elektrische Feld dominieren.

Mehrere Methoden wurden vorgeschlagen, um rückwärts gerichtetes Übersprechen zu kontrollieren. Zu diesen gehören:

• Die Länge einschränken, über die Übertragungsleitungen nebeneinander verlaufen
• Einfügen von „Schutzleiterbahnen“ zwischen den beiden Übertragungsleitungen
• Reihen von „Masse“-Vias auf beiden Seiten eines empfindlichen Signals

Einschränkung der Länge der parallelen Verlegung

Die am häufigsten vorgeschlagene Methode zur Kontrolle von Übersprechen besteht darin, die Länge zu begrenzen, über die zwei Übertragungsleitungen nebeneinander verlaufen. Es gibt sogar Routinen in mehreren PCB-Routern, die es ermöglichen, eine Längenangabe einzugeben und das Routing-Werkzeug so einzustellen, dass es Routings verhindert, die länger als dieser Wert sind. Damit diese Methode funktioniert, muss diese Länge kleiner als die kritische Länge sein, die in Abbildung 2 gezeigt wird. Wenn die Länge eines parallelen Verlaufs die kritische Länge erreicht, kann man sehen, dass ein weiteres paralleles Verlaufen über diesen Punkt hinaus nicht zu einem erhöhten Übersprechen führt. Abbildung 3 ist eine Darstellung der kritischen Länge als Funktion der Signalanstiegszeit. Auf dem Graphen gibt es drei Kurven, die drei verschiedenen Dielektrizitätskonstanten (er) entsprechen. Zwei entspricht Teflon, drei entspricht den meisten Flachbandkabeln und vier entspricht den meisten in PCBs gefundenen Dielektrika.

Wie man sehen kann, wird die kritische Länge kürzer, je schneller die Anstiegszeiten werden. Bei einer Anstiegszeit von 1,4 nSek beträgt die kritische Länge etwa 6 Zoll oder 15 cm. Wenn der Router so eingestellt wäre, dass er drei Zoll parallelen Lauf zulässt, wäre es möglich, die meisten Verbindungen in den meisten Designs herzustellen, ohne dass der Platz auf der Platine oder die Anzahl der Schichten ausgeht. Leider sind sehr wenige moderne integrierte Schaltkreise so langsam. Derzeit sind Anstiegszeiten von bis zu 100 Pikosekunden sehr . Wenn man sich Abbildung 3 ansieht, kann man erkennen, dass die kritische Länge bei 100 Pikosekunden weniger als einen halben Zoll oder etwa 1,5 cm beträgt. Bei diesen Anstiegszeiten wird die Längenkontrolle nicht funktionieren. Dies ist in der Supercomputerindustrie seit sehr langer Zeit bekannt und war nicht die Methode, die verwendet wurde, um das rückwärtige Übersprechen zu kontrollieren.

Abbildung 3. Kritische Länge als Funktion der Signalanstiegszeit

Wenn die Längenkontrolle zur Begrenzung des Übersprechens nicht funktioniert, welche Methode funktioniert dann?

Bezugnehmend auf Abbildung 2 kann man sehen, dass, sobald die kritische Länge erreicht wurde, das parallele Verlegen keine zusätzliche Übersprechkopplung zur Folge hat. An diesem Punkt gibt es nur zwei Parameter, die die Menge des Übersprechens beeinflussen. Dies sind die Höhe zur nächsten Ebene und der Kantenabstand. Abbildung 4 ist ein Diagramm, das zeigt, wie sich das Übersprechen mit der Höhe über der nächsten Ebene und dem Kantenabstand verändert, sobald die kritische Länge erreicht wurde.

Abbildung 4. Rückwärtsübersprechen als Funktion der Höhe über der Ebene und Trennung, Streifenleitung

Abbildung 4 trägt den Titel „Offcenter“ Streifenleitung. Das bedeutet, dass die Übertragungsleitungen zwischen zwei Ebenen liegen, aber nicht zentriert zwischen den beiden Ebenen sind. Dies ist typisch für Leiterplatten, die zwei Signallagen zwischen einem Paar von Ebenen haben. Beachten Sie, dass das Übersprechen erheblich abnimmt, wenn die Höhe über der nächsten Ebene verringert wird. Es nimmt auch noch schneller ab, wenn die Leiterbahnen weiter voneinander entfernt sind. Abbildung 5 ist eine Darstellung dieser Werte für Mikrostreifenleitungen, Signallagen, die sich auf der Außenseite einer Leiterplatte befinden.

Abbildung 5. Rückwärtsübersprechen als Funktion der Höhe über der Ebene und Trennung, Mikrostreifenleitung

Abschirmleiterbahnen

Viele Faustregeln haben empfohlen, „Schutzleiterbahnen“ zwischen Übertragungsleitungen einzufügen, als Methode zur Kontrolle von Übersprechen. Wenn dies funktioniert, warum funktioniert es dann? Und wenn es funktioniert, gibt es irgendwelche Nachteile bei der Verwendung dieser Methode? Die „Standardpraxis“ in vielen Unternehmen besteht darin, mit 5 Mil Leiterbahnbreite und 5 Mil Abständen zu verlegen. Bezogen auf Abbildung 4, wenn eine Leiterplatte nach diesen Regeln verlegt würde und die Höhe über der nächstgelegenen Ebene ebenfalls 5 Mil beträgt, wäre das Übersprechen etwa 8%. Wenn dies als übermäßig erachtet würde und eine Schutzleiterbahn hinzugefügt würde, was würde das bedeuten? Um Platz für die Schutzleiterbahn zu schaffen, muss ein 5 Mil Abstand und eine 5 Mil Leiterbahn hinzugefügt werden. Nun beträgt der Abstand von Kante zu Kante 15 Mil statt 5 Mil und das Übersprechen ist weniger als 1%. Es war nicht die Schutzleiterbahn, die diese Abnahme verursachte. Es war die Trennung.

Nachteile beim Hinzufügen von Schutzleiterbahnen sind: Dies macht das Routing viel schwieriger. Die Schutzleiterbahn ist keine Barriere. Es ist ein Resonanzkreis, der das Übersprechen durch Erzeugung eines Bandpassfilters verstärken kann.

Die richtige Methode zur Kontrolle von Übersprechen bei nebeneinander liegender Verlegung ist nur die Trennung.

Reihen von „Ground“ Vias

Ein von einigen Anwendungshinweisen und Experten vorgeschlagener Ansatz ist es, "Ground"-Vias auf beiden Seiten einer "kritischen" Leiterbahn zu platzieren, um eine empfindliche Übertragungsleitung zu schützen. Diese Art von Regel wird nicht mit einem Beweis dafür begleitet, dass sie gültig ist. Sie wird auch mit vagen Antworten begleitet, wenn gefragt wird, wie viele Vias zu verwenden sind und in welchem Abstand. Wenn es nützlich und notwendig wäre, wäre keines der Server und Router, die wir täglich entwerfen, möglich, da nicht genügend Platz für all diese Vias wäre. Dies ist eine falsche Regel und sollte nicht verwendet werden. Eine übergeordnete Beobachtung ist, dass gültige Designregeln klare Beweise haben. Diese hier hat keinen.

Methoden zur Kontrolle von rückwärtigem Übersprechen mit Über-Unter-Verdrahtung

Wenn Über- und Unter-Verdrahtung durchgeführt wird, wobei eine Übertragungsleitung in einer Schicht und die andere in der darüber oder darunter liegenden Schicht ist, wird die Kopplung hauptsächlich durch das elektrische Feld dominiert, ähnlich als ob ein kleiner Kondensator zwischen den beiden Übertragungsleitungen geschaltet worden wäre. Die gekoppelten Wellenformen sehen so aus. Mit den schnellen Kanten der modernen Logik wächst die Menge der gekoppelten Energie so schnell mit der Überlappung zwischen zwei Leiterbahnen, dass sie mit sehr kurzen Läufen zulässige Grenzen überschreitet.

Die einzige sichere Methode, um Übersprechen mit benachbarten Signallagen zu kontrollieren, besteht darin, Leiterbahnen in einer Lage in X-Richtung und in der anderen Lage in Y-Richtung zu verlegen. Die meisten PCB-Layoutsysteme haben die Möglichkeit, eine Lage als X und die andere als Y zu spezifizieren, um diese Art von Überlappung zu verhindern. Leider verletzen viele von ihnen diese Beschränkung von Zeit zu Zeit, daher ist es notwendig, nach dem Verlegen doppelt zu prüfen, ob diese Regel befolgt wurde.

Übersprechen berechnen

Es gibt viele Faustregeln, die im Umlauf sind, wie man Leiterbahnen platzieren sollte, um Übersprechen zu kontrollieren. Zu diesen gehören: dreimal die Höhe über der nächsten Ebene; zweimal die Breite der Leiterbahn und viermal die Breite der Leiterbahn. Diese klingen ein wenig willkürlich und das sind sie auch. Um zu bestimmen, welcher Abstand notwendig ist, muss zuerst die Frage beantwortet werden, wie viel Übersprechrauschen akzeptabel ist? Dies hängt von mehreren Dingen ab, einschließlich, ob die betroffene Leiterbahn neben einer anderen Leiterbahn mit einer viel höheren Amplitude verläuft oder ob sie neben einer anderen Leiterbahn mit dem gleichen Amplitudensignal verläuft.

Bestimmen, wie viel Rauschen akzeptabel ist

In Bezug auf Referenz 2 am Ende dieses Abschnitts gibt es ein Kapitel über die Erstellung von Entwurfsregeln unter Verwendung der Rauschabstandsanalyse. In diesem Abschnitt wird gezeigt, dass das Rauschbudget einer Logikfamilie durch mehrere Rauschquellen verbraucht wird. Bei CMOS gibt es vier primäre Rauschquellen. Diese sind: Übersprechen, Reflexionen, Ripple auf Vdd und Vdd sowie Ground Bounce in den IC-Gehäusen. Sobald die Menge des Rauschens der letzten drei berechnet ist, wird dies vom Rauschabstand der Logikfamilie abgezogen, um die Menge des Übersprechens zu ermitteln, die toleriert werden kann.

Ein analytisches Verfahren zur Bestimmung von Übersprechen

Es gibt analytische Werkzeuge, die es einem ermöglichen, das Übersprechen zu berechnen, das sich aus einer vorgeschlagenen Geometrie zwischen zwei Übertragungsleitungen ergeben wird. Abbildung 6 ist ein Screenshot in Hyperlynx^® von einem Paar Übertragungsleitungen, das verwendet wird, um das Übersprechen für eine vorgeschlagene Geometrie zu berechnen. Es handelt sich um zwei CMOS-Schaltungen, wobei die obere aktiv ist und die untere auf einem logischen 0 gesetzt ist.

Abbildung 6. Schaltbild zur Berechnung von Übersprechen

Abbildung 7 zeigt einen Bildschirm, auf dem dargestellt wird, wie der Abstand zwischen den Leiterbahnen sowie die Breite und Höhe der Leiterbahnen über der Ebene festgelegt werden. Es sollte beachtet werden, dass die Breite der Leiterbahn keinen Einfluss auf das Übersprechen hat, nur der Kanten-zu-Kanten-Abstand und die Höhe über der nächstgelegenen Ebene sind beteiligt, sobald die Übertragungsleitungen über die „kritische Länge“ hinaus verlegt wurden.

Abbildung 7. Bildschirm, der die Geometrie des gekoppelten Paares in Abbildung 6 zeigt

Abbildung 8 ist eine Reihe von Wellenformen, die entstehen, wenn die angetriebene Leitung von einem Logik-1 zu einem Logik-0 wechselt. Die rote Wellenform ist das Signal am Treiber auf der angetriebenen Leitung und die lila Wellenform ist das Signal am Empfänger auf der angetriebenen Leitung. Die flache gelbe Linie ist der Ausgang der Opferleitung, die sich in einem Logik-0-Zustand befindet, und die Wellenform mit der Beule darauf ist das Empfängerende der Opferleitung.

Abbildung 8. Wellenformen, wenn die angetriebene Leitung in Abbildung 6 wechselt

Das Rauschen auf der Opferleitung erscheint am „vorwärts“ oder Empfängerende der Opferleitung und scheint kein rückwärtiges Übersprechen zu sein, welches am „rückwärtigen“ Ende der Opferleitung auftreten sollte. Der Grund dafür ist, dass das angetriebene Ende der Opferleitung eine Logik 0 ist, was einem Kurzschluss entspricht. Aus dem Abschnitt über Übertragungsleitungen wurde beobachtet, dass Kurzschlüsse keine Energie absorbieren. Stattdessen reflektieren sie diese als invertierte Wellenform, wie in Abbildung 8 gezeigt wurde. Die zweite Beobachtung im Abschnitt über Übertragungsleitungen ist, dass auch offene Schaltungen die Energie nicht absorbieren, sondern sie verdoppelt zurückreflektieren, wie im Fall von Abbildung 8.

Die Amplitude des Übersprechens in Abbildung 8 beträgt etwa 1 Volt auf einer 3,3-Volt-Signalleitung. Das ist eindeutig zu viel. Die Lösung besteht darin, zum Bildschirm zurückzukehren, auf dem Höhe und Abstand eingestellt werden, und einen oder beide so anzupassen, dass das resultierende Übersprechen innerhalb des Designfensters liegt. Sobald diese Analyse durchgeführt wurde, werden die resultierenden Übersprechregeln präzise sein und nicht das Ergebnis einer willkürlichen Faustregel.

REFERENZEN FÜR HOCHGESCHWINDIGKEITSDESIGN

• „90-Grad-Ecken, die letzte Kurve“ Doug Brooks, etal, Printed Circuit Design, Januar 1998.
• SIGNALINTEGRITÄT - VEREINFACHT, Eric Bogatin, Prentice Hall, 2004.
• „Reflexionen und Übersprechen in Logikschaltungsverbindungen“, John A DeFalco, IEEE Spectrum, Juli 1970.
• „Gleich beim ersten Mal richtig, ein praktisches Handbuch über Hochgeschwindigkeits-PCB- und Systemdesign, Bände 1 & 2“, Zasio und Ritchey, Speeding Edge 2003 und 2006.

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