¿Es ruido de conmutación simultánea o diafonía?

Con la multitud de problemas de integridad de señal que pueden surgir en PCBs reales, ¿cómo puede el diseñador astuto distinguirlos todos? Algunos problemas son más claros que otros, con medidas específicas de integridad de señal siendo desarrolladas para probar y medir aspectos particulares del comportamiento de la señal.

Una pregunta que surge tiene que ver con la aparición de una fluctuación en el voltaje de salida en un banco de E/S, conocida como ruido de conmutación simultánea o, más popularmente, como rebote de tierra. Si examinas el voltaje inducido cuando múltiples salidas conmutan simultáneamente, este tipo de fluctuación potencial se parece mucho a la diafonía inductiva hacia atrás (es decir, cercana al extremo). El hecho es que varios problemas de integridad de señal podrían estar presentes en un solo interconexión simultáneamente. Entonces, ¿cómo puedes distinguir entre los dos adecuadamente y determinar si tu diseño necesita un cambio? Desglosemos los dos efectos y determinemos cuál está teniendo un mayor impacto en la integridad de la señal.

¿Qué es el Ruido de Conmutación Simultánea?

He visto que los diseñadores de IC suelen usar "ruido de conmutación simultánea" mientras que los diseñadores de PCB tienden a usar más a menudo "rebote de tierra" para describir el mismo fenómeno. El ruido de conmutación simultánea se refiere a un cambio aparente en el potencial del plano de tierra cerca de un IC conmutador. En realidad, el potencial del plano de tierra en el PCB no ha cambiado, más bien se ha desarrollado un potencial entre el plano de tierra del PCB y el plano de tierra del paquete del die.

Este es un efecto parasitario que surge debido a la inductancia parasitaria pin-paquete. En un IC ideal, el alambre de unión, el marco de plomo y cualquier cobre que conecte el pin de tierra al plano de tierra del PCB son conductores perfectos con cero inductancia, pero los PCB reales no se comportan de esta manera. Cuando el IC conmuta, la inductancia parasitaria en estos elementos (todos los cuales pueden tomarse en serie) desarrolla un potencial que se opone a la ráfaga de corriente entre el plano de tierra del PCB y el circuito del búfer de E/S en el semiconductor.

El modelo de circuito típico utilizado para entender estos parásitos se muestra a continuación.

• Aprende más sobre el rebote de tierra en este artículo

Debido a que el plano de tierra es la referencia para el pin de salida y el dado, debe haber un voltaje no nulo entre el plano de tierra del dado del controlador y el plano de tierra del PCB, mientras que el receptor está referenciado al plano de tierra del PCB. Echa un vistazo a este artículo para obtener más información sobre el rebote de tierra.

Si observas en un rastro de osciloscopio que sigue la salida de un I/O, puede mostrar resonancia debido a la corriente que se hunde a lo largo del camino mencionado. Cuando múltiples I/Os cambian simultáneamente, efectivamente están extrayendo del mismo suministro de energía de I/O en paralelo. Efectivamente, las FEMs generadas por múltiples I/Os se superponen en un I/O víctima debido al potencial de tierra elevado medido cerca de la víctima. El resultado es típicamente una forma de onda de resonancia subamortiguada.

¿Cómo se puede reducir esta resonancia? Las razones por las que ocurre esto son las siguientes:

• Capacidad de desacoplamiento y/o derivación insuficiente en el suministro de energía del I/O
• Amortiguación insuficiente a lo largo del camino de corriente a lo largo del buffer de I/O
• Inductancia excesiva a lo largo del trazo de GND y el camino de retorno de GND
• Inductancia excesiva a lo largo del camino de la capacitancia de derivación

Normalmente, reducimos la inductancia utilizando un plano de GND (reducimos la inductancia de dispersión) y proporcionando un camino directo para cualquier conexión a GND. Luego, nos aseguramos de que la conexión al capacitor de desacople también sea corta para que no haya inductancia a lo largo de ese camino.

El uso de una resistencia en serie para el amortiguamiento generalmente no se utiliza en un canal de alta velocidad, la razón es que la tasa de cambio se vuelve demasiado lenta y se pierde demasiada potencia a través de la resistencia si se busca un amortiguamiento crítico en el borde. Se puede usar en buses de tasa de baudios más lentos con tasa de cambio rápida, como SPI, porque esos buses no necesitan la tasa de cambio rápida y no tienen una especificación de impedancia.

Comparación con el Crosstalk Inverso

Si mides la salida de un componente mal desacoplado, la fluctuación de voltaje que se ve en la salida se asemeja a una señal que parece un pico de voltaje/corriente debido a NEXT inductivo. El problema para distinguir los dos está relacionado con los parásitos:

• Los planos de tierra reales y los caminos de retorno de los ICs tienen inductancia mutua parasitaria y resistencia. En otras palabras, pueden transmitir crosstalk entre sí, al igual que un par de trazas de señal.
• Si un CI no está desacoplado del plano de tierra, el voltaje producido por NEXT y el rebote de tierra puede ser similar, ya que las inductancias parásitas tienden a ser similares en magnitud y polaridad.

El segundo punto que mencioné es la razón por la cual se utilizan capacitores de derivación cerca de los CI con un alto número de pines de salida/tiempos de subida rápidos/fuerte consumo de corriente. Al igual que con capacitores de desacoplamiento en PDNs, un capacitor de derivación utilizado de esta manera no desacopla ni deriva nada. En cambio, simplemente proporciona un reservorio de carga (y voltaje) que compensa el rebote de tierra o cualquier otra fluctuación de voltaje que se vea entre la salida y el tierra.

Aquí, he mostrado una respuesta sobreamortiguada en NEXT y FEXT, pero cualquiera de estas señales puede exhibir resonancia si la autoinductancia parásita es alta. Aunque la forma de onda del rebote de tierra ocurre en un circuito equivalente RL, también puede exhibir resonancia debido a las capacitancias parásitas; esto generalmente ocurre con componentes CMOS. Además, el amortiguamiento experimentado por estas señales dependerá de la impedancia de carga. Como estas señales pueden ser bastante dramáticas, pueden causar conmutaciones no intencionadas en el receptor si el margen de ruido es escaso.

Cómo Distinguir el Ruido de Conmutación Simultánea y NEXT

Esto puede ser una tarea difícil, especialmente cuando se trabaja con una placa prototipo que tiene algunos problemas de señal. La clave es intentar separar los efectos del diafonía y el ruido de conmutación simultánea. La configuración estándar para medir el rebote de tierra consiste en conectar un conductor aislado (un cable coaxial es ideal) desde un componente de carga directamente a un medidor, que se mantiene al mismo potencial de tierra que el conductor y el receptor. Mantén la salida de conducción de este pin en BAJO, y activa todas las demás salidas en el conductor. Esto proporciona una medición directa del rebote de tierra, pero esta configuración todavía tiene un problema en que la traza en BAJO sigue siendo susceptible a la diafonía.

Afortunadamente, existe una mejor manera de hacer esto. Howard Johnson recomienda hacer esto cortando el trazo sospechoso y conectando un cable coaxial con impedancia coincidente directamente desde el controlador y el receptor, y medir la señal que entra en el coaxial. El coaxial estará protegido contra el diafonía, permitiéndote medir las fluctuaciones de voltaje debido únicamente al rebote de tierra en este conductor. Este voltaje medido será visto por todas las demás salidas conmutadoras, mientras que cualquier fluctuación de voltaje debido a la diafonía variará a través de todos los trazos. Ten en cuenta que, en esta configuración, la salida del controlador conectada al coaxial también debe mantenerse en BAJO mientras se activan los demás E/S.

Cuando midas alguna variación en la salida de un CI y sospeches que el rebote de tierra es excesivo, quizás la verificación más fácil es cambiar tu capacitor de desacople por uno más grande. El capacitor de desacople no afectará la señal de diafonía, pero sí afectará la señal de rebote de tierra. Si aumentas la capacitancia de desacople y la fluctuación de voltaje no cambia significativamente (o no hay cambio alguno), sabrás que el fuerte rebote de tierra no es la fuente del problema.

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