S'agit-il de bruit de commutation simultanée ou de diaphonie ?

Compte tenu de la multitude de problèmes d’intégrité du signal qui peuvent survenir dans les circuits imprimés réels, comment un concepteur astucieux peut-il tous les distinguer ? Certains problèmes sont plus clairs que d’autres, des mesures spécifiques de l’intégrité du signal étant développées pour tester et mesurer des aspects particuliers du comportement du signal.

Une question qui se pose concerne l'apparition d'une fluctuation de la tension de sortie sur un banc d'E/S, connue sous le nom de bruit de commutation simultanée ou, plus communément, de rebond de masse. Si vous examinez la tension induite lorsque plusieurs sorties commutent simultanément, ce type de fluctuation potentielle ressemble beaucoup à une diaphonie inductive vers l'arrière (c'est-à-dire à l'extrémité proche). Le fait est que plusieurs problèmes d’intégrité du signal peuvent être présents simultanément sur une seule interconnexion. Alors, comment pouvez-vous bien distinguer les deux et déterminer si votre mise en page doit être modifiée ? Décomposons les deux effets et déterminons lequel a le plus grand impact sur l’intégrité du signal.

Qu’est-ce que le bruit de commutation simultanée ?

J'ai vu des concepteurs de circuits intégrés utiliser généralement le « bruit de commutation simultané », tandis que les concepteurs de circuits imprimés ont tendance à utiliser plus souvent le « rebond au sol » pour décrire le même phénomène. Le bruit de commutation simultanée fait référence à un changement apparent du potentiel du plan de masse à proximité d'un circuit intégré de commutation. En réalité, le potentiel du plan de masse dans le PCB n'a pas changé, mais un potentiel s'est plutôt développé entre le plan de masse du PCB et le plan de masse de la puce du boîtier.

Il s’agit d’un effet parasite dû à l’inductance parasite du boîtier à broches. Dans un circuit intégré idéal, le fil de liaison, la grille de connexion et tout cuivre reliant la broche de terre au plan de masse du PCB sont des conducteurs parfaits avec une inductance nulle, mais les vrais PCB ne se comportent pas de cette façon. Lorsque le circuit intégré commute, l'inductance parasite de ces éléments (qui peuvent tous être pris en série) développe un potentiel qui s'oppose à l'afflux de courant entre le plan de masse du PCB et le circuit tampon d'E/S sur le semi-conducteur.

Le modèle de circuit typique utilisé pour comprendre ces parasites est présenté ci-dessous.

• Apprenez-en davantage sur le rebond au sol dans cet article

Étant donné que le plan de masse est la référence pour la broche de sortie et la puce, il doit y avoir une tension non nulle entre le plan de masse de la puce du pilote et le plan de masse du PCB, tandis que le récepteur est référencé au plan de masse du PCB. Consultez cet article pour plus d'informations sur la réduction du rebond de masse.

Si vous regardez une trace d'oscilloscope suivant la sortie d'un I/O, cela peut montrer un effet de sonnerie dû au courant qui est absorbé le long du chemin mentionné. Lorsque plusieurs I/Os basculent simultanément, ils puisent effectivement dans la même alimentation I/O en parallèle. Effectivement, les FCEM générées par plusieurs I/Os se superposent sur un I/O victime en raison du potentiel de masse élevé mesuré près de la victime. Le résultat est typiquement une forme d'onde de sonnerie sous-amortie.

Comment peut-on réduire cette sonnerie ? Les raisons de ce phénomène sont les suivantes :

• Capacité de découplage et/ou de bypass insuffisante sur l'alimentation I/O
• Amortissement insuffisant le long du chemin de courant le long du tampon I/O
• Inductance excessive le long de la trace GND et du chemin de retour GND
• Inductance excessive le long du chemin de la capacité de bypass

Normalement, nous réduisons l'inductance en utilisant un plan de masse (réduire l'inductance de propagation) et en fournissant un chemin de trace direct vers toute connexion à la masse. Nous nous assurons ensuite que la connexion au condensateur de découplage est également courte afin qu'il n'y ait pas d'inductance le long de ce chemin.

L'utilisation d'une résistance en série pour l'amortissement n'est généralement pas utilisée dans un canal à haute vitesse, la raison étant que le taux de montée devient trop lent et trop de puissance est perdue à travers la résistance si vous visez un amortissement critique sur le bord. Cela peut être utilisé sur des bus à débit en bauds plus lent avec un taux de montée rapide, comme SPI, parce que ces bus n'ont pas besoin du taux de montée rapide et ils n'ont pas de spécification d'impédance.

Comparaison avec le diaphonie arrière

Si vous mesurez la sortie d'un composant mal découplé, la fluctuation de tension vue à la sortie ressemble à un signal qui ressemble à un pic de tension/courant dû à l'NEXT inductif. Le problème pour distinguer les deux est lié aux parasitiques :

• Les vrais plans de masse et les chemins de retour des CI ont une inductance mutuelle et une résistance parasitaires. En d'autres termes, ils peuvent transmettre la diaphonie entre eux, tout comme une paire de traces de signal.
• Si un CI n'est pas découplé du plan de masse, la tension produite par le NEXT et le rebond de masse peut être similaire car les inductances parasites tendent à être similaires en amplitude et en polarité.

Le deuxième point que j'ai mentionné est la raison pour laquelle les condensateurs de bypass sont utilisés près des CI avec un nombre élevé de broches de sortie/des temps de montée rapides/une forte consommation de courant. Tout comme avec les condensateurs de découplage dans les PDN, un condensateur de bypass utilisé de cette manière ne découple ni ne contourne quoi que ce soit. Au lieu de cela, il fournit simplement un réservoir de charge (et de tension) qui compense le rebond de masse ou toute autre fluctuation de tension observée entre la sortie et la masse.

Ici, j'ai montré une réponse suramortie dans le NEXT et le FEXT, mais n'importe lequel de ces signaux peut présenter un effet de sonnerie si l'auto-inductance parasite est élevée. Bien que la forme d'onde de rebond de masse se produise dans un circuit équivalent RL, elle peut également présenter un effet de sonnerie en raison des capacités parasites ; cela se produit généralement avec les composants CMOS. De plus, l'amortissement subi par ces signaux dépendra de l'impédance de charge. Comme ces signaux peuvent être assez dramatiques, ils peuvent causer une commutation non intentionnelle dans le récepteur si la marge de bruit est faible.

Comment Distinguer le Bruit de Commutation Simultanée et le NEXT

Cela peut être une tâche difficile, en particulier lorsqu'on travaille avec une carte prototype qui présente des problèmes de signal. La clé est d'essayer de séparer les effets du diaphonie et du bruit de commutation simultanée. La configuration standard pour mesurer le rebond de masse consiste à connecter un conducteur isolé (un câble coaxial est idéal) d'un composant de charge directement à un compteur, qui est maintenu au même potentiel de masse que le pilote et le récepteur. Maintenez la sortie de commande sur cette broche en position BASSE, et activez toutes les autres sorties sur le pilote. Cela fournit une mesure directe du rebond de masse, mais cette configuration a encore un problème en ce que la trace BASSE est toujours susceptible à la diaphonie.

Heureusement, il existe une meilleure manière de procéder. Howard Johnson recommande de faire cela en coupant la trace suspecte et en connectant un câble coaxial à impédance adaptée directement entre l'émetteur et le récepteur, puis de mesurer le signal entrant dans le coaxial. Le coaxial sera protégé contre le diaphonie, vous permettant de mesurer les fluctuations de tension dues uniquement aux rebonds de masse dans ce conducteur. Cette tension mesurée sera perçue par toutes les autres sorties commutées, tandis que toute fluctuation de tension due à la diaphonie variera à travers toutes les traces. Notez que, dans cette configuration, la sortie de l'émetteur connectée au coaxial doit également être maintenue à l'état BAS pendant que les autres E/S sont activées.

Lorsque vous mesurez une variation dans la sortie d'un CI et que vous suspectez un rebond de masse excessif, peut-être que le contrôle le plus simple est de remplacer votre condensateur de découplage par un condensateur plus grand. Le condensateur de découplage n'affectera pas le signal de diaphonie, mais il affectera le signal de rebond de masse. Si vous augmentez la capacité de découplage et que la fluctuation de tension ne change pas significativement (ou qu'il n'y a aucun changement du tout), vous savez que le rebond de masse fort n'est pas la source du problème.

Avec les outils de simulation post-implantation et d'analyse de diaphonie dans Altium Designer, vous pouvez facilement simuler la diaphonie dans votre agencement et utiliser cela comme référence pour d'autres mesures. Ces résultats peuvent être utilisés comme référence pour les résultats de test et de mesure, ce qui vous aide à vérifier si le bruit de commutation simultanée crée des problèmes majeurs dans votre carte. Vous aurez également accès à une large gamme d'outils pour les simulations de circuits, la gestion des données de composants et la préparation à la production.

Maintenant, vous pouvez télécharger un essai gratuit d'Altium Designer et en savoir plus sur les meilleurs outils de disposition, de simulation et de planification de production de l'industrie. Parlez à un expert Altium aujourd'hui pour en savoir plus.