Come eliminare le diafonia in Altium Designer

Nei PCB, molteplici segnali su tracce diverse possono interferire tra loro e creare diafonia. Quando i segnali generano energia elettromagnetica che viene trasferita a tracce parallele, si parla di accoppiamento. L’accoppiamento tra conduttori può essere sia positivo che negativo ed è espresso come un coefficiente compreso tra 0 e 1 (o 0% e 100%). Ad esempio, è possibile utilizzare conduttori in bundle o cavi intrecciati per ottenere coefficienti di accoppiamento che rasentino la perfezione e favoriscano una buona trasmissione del segnale. Un cattivo accoppiamento o la diafonia (crosstalk) hanno di solito a che fare con l'interferenza su un conduttore dovuta a un altro conduttore adiacente che distorce o riduce la qualità del segnale.

Diamo un'occhiata alle cause della diafonia e successivamente a come Altium Designer^® può aiutare a minimizzare gli effetti del crosstalk sul proprio circuito.

Significato diafonia

La diafonia è uno dei problemi di integrità di segnale cui devono far fronte i progettisti di PCB. Di norma, il crosstalk si verifica quando due diversi percorsi di propagazione del segnale sono troppo vicini tra loro, e i campi EM, che evidentemente si generano, si estendono oltre lo spazio che separa i conduttori. Poiché si tratta di interferenza indesiderata, può essere classificata come rumore che distorce o degrada la purezza del segnale, il che sfocia in diafonia.

Problematiche relative ai componenti

Giacché i prodotti elettronici diventano sempre più piccoli, anche i PCB di cui sono composti devono essere più piccoli. Ciononostante, queste riduzioni dimensionali sono generalmente associate a richieste di maggiori funzionalità. Per raggiungere tali obiettivi, che potrebbero sembrare in contrasto tra loro, i pacchetti di componenti sono più piccoli, pur avendo un numero elevato di connessioni o di pin. Ciò determina chiaramente un passo più stretto tra i pin, il che favorisce l’accoppiamento capacitivo. L'accoppiamento tra i pin può manifestarsi per le connessioni che si estendono dal componente lungo la superficie del circuito, oppure dal basso per il flusso di segnale attraverso i via.

Problematiche relative alle tracce

Poiché le tracce occupano maggiore spazio sul circuito, le aree in cui può verificarsi il crosstalk sono molteplici. Ciò include i pad o l'origine e l’estremità dei percorsi delle tracce, nonché i tracciati adiacenti sullo stesso strato e tra gli strati. La diafonia a livello di pad è simile a quella che si verifica tra i pin dei componenti. Oltre alle tracce, l'interferenza è di solito dovuta a percorsi di segnale di lunghezza simile con insufficiente separazione allo stesso angolo o una singola traccia con una piega ad angolo acuto. Quando gli strati di segnale nello stackup non sono sufficientemente isolati da dielettrici, il crosstalk può verificarsi anche tra tracce su strati diversi.

Tecniche di eliminazione della diafonia in Altium Designer

Potrebbe sembrare che la diafonia sia un ostacolo insormontabile a una buona integrità di segnale per la progettazione PCB, in particolar modo per i circuiti piccoli, ad alta densità e complessi. Ciò rappresenta indubbiamente una significativa sfida progettuale, ma esistono tecniche che possono essere impiegate per ridurre gli effetti del crosstalk sull’operatività dei circuiti. Per utilizzarli al meglio, bisogna innanzitutto essere in grado di analizzare il segnale del circuito, al fine di determinare l'eventuale necessità di eliminazione della diafonia. Altium Designer offre proprio questo tipo di strumento per eseguire l'analisi di integrità di segnale, come mostrato di seguito.

Finestra di dialogo di Integrità di segnale

L'analisi dell'integrità di segnale in Altium include la possibilità di controllare i tempi di salita, i tempi di discesa, la terminazione e il crosstalk del segnale. È inoltre possibile definire modelli e configurare regole, vincoli e altre impostazioni per le analisi. Una volta acclarato un problema di diafonia, dovrebbe essere risolto modificando opportunamente il routing di traccia per lo stesso strato o per strati adiacenti, come illustrato di seguito.

Garantire una spaziatura adeguata tra le tracce

Nella maggior parte dei casi, la causa del crosstalk è l’insufficiente spaziatura tra i conduttori accoppiati. Ne consegue che la migliore soluzione o tecnica di riduzione è quella di aumentare la spaziatura. In Altium Designer, ciò può essere fatto piuttosto facilmente mediante le evidenziazioni, il che consente di spostare contemporaneamente singoli elementi, tracce o gruppi. Quando si apportano modifiche alle proprie tracce, è necessario assicurarsi di seguire le dritte giuste per il routing del layout del PCB.

Impostazione delle proprietà di traccia per il routing del circuito

Minimizzare le lunghezze di tracce parallele

A volte, come ad esempio per le coppie differenziali, è preferibile adattare i percorsi di segnale. In tali casi, l'obiettivo progettuale è quello di assicurarsi che il peso del rame, le larghezze e le lunghezze delle tracce siano identiche per entrambi i segnali. Di contro, quando le tracce parallele sono per segnali diversi, l'obiettivo è ridurre al minimo la loro interazione o l’accoppiamento. Se non è contemplabile una spaziatura adeguata, è possibile instradare una traccia più lunga dell'altra oppure instradare una traccia perpendicolarmente all'altra, allo scopo di ridurre il crosstalk.

Utilizzo dei piani di massa per separare gli strati di segnale

Pur essendo meno comune rispetto alla diafonia su uno stesso strato, può verificarsi interferenza anche tra strati adiacenti nello stackup PCB. La causa principale di questo tipo di accoppiamento è uno scarso isolamento dei segnali, determinato da insufficiente isolamento tra gli strati. La fonte di isolamento tra strati adiacenti è il materiale dielettrico su cui sono incisi gli strati di rame. In Altium Designer, progettare il proprio stackup è un’operazione semplice, mediante la finestra di dialogo Layer Stack Manager mostrata nella figura in basso, dove è possibile selezionare il tipo di materiale, impostare lo spessore e definire la costante dielettrica.

Definizione dello stackup degli strati per i PCB

In alternativa all'utilizzo di materiali diversi per lo stackup, è possibile inserire piani di massa tra gli strati di segnale. Ciò ha come scopo quello di aumentare l'isolamento e può tornare utile per assicurare piani ridotti al proprio progetto.

Eliminare il crosstalk con Altium Designer

Il crosstalk è un problema di integrità del segnale che può influenzare il layout del PCB in quasi tutti i punti in cui due conduttori siano vicini tra loro. Le migliori tecniche di eliminazione del crosstalk sono quelle che aggiungono spazio o barriere per ridurre l'accoppiamento. Prima di implementare una di queste soluzioni, è necessario innanzitutto rilevare la diafonia. Altium Designer mette a disposizione uno strumento multifunzionale di analisi del segnale, che consente di effettuare una diagnosi dei segnali del circuito al fine di determinare la migliore o le migliori tecniche di eliminazione da mettere in atto. Se vuoi provare Altium Designer, è possibile ottenere una versione di prova gratuita qui.

Per ulteriori informazioni sulle tecniche di eliminazione della diafonia che è possibile integrare in un progetto PCB, contatta un esperto Altium di progettazione PCB.