Padronizzare il controllo dell'EMI nel design dei PCB: Prevenzione del Crosstalk per un migliore EMI

Benvenuti al sesto articolo della serie, Padroneggiare il Controllo dell'EMI nel Design dei PCB. In questo articolo, esploreremo come il crosstalk può influenzare sia l'integrità del segnale che l'EMI, e discuteremo quali passi intraprendere per affrontare questo nei nostri progetti.

Figura 1 - Esempio di Design PCB in Altium Designer^®

Il crosstalk è uno dei problemi più frequentemente incontrati nei moderni disegni di Circuiti Stampati (PCB). Con l'aumentare della densità dei PCB, questo fenomeno sta diventando ancora più prevalente. La tendenza verso l'integrazione di sempre più interfacce ad alta velocità in aree sempre più piccole della scheda esaspera la sfida, poiché i layout compatti portano a una maggiore prossimità tra le tracce, il che aumenta significativamente la probabilità di crosstalk.

In sostanza, il crosstalk del segnale si riferisce al trasferimento non intenzionale di un segnale elettrico da una rete (o traccia) all'altra. Questo si verifica quando il campo elettromagnetico generato da un segnale che viaggia lungo una traccia interagisce con una traccia adiacente. In questo contesto, la traccia che trasporta il segnale originale è comunemente definita "Aggressore", mentre la traccia che riceve il segnale indesiderato è conosciuta come "Vittima".

Figura 2 - Esempio di come il crosstalk può manifestarsi in un circuito

Nel campo dell'interferenza elettromagnetica (EMI), il crosstalk diventa molto importante perché può non solo essere la causa di interferenze all'interno di un sistema, ma può anche diventare la fonte di emissioni elettromagnetiche che disturbano altri dispositivi. Ciò che è importante osservare riguardo al crosstalk è che esso non avviene solo tra le tracce di segnale, dove si propaga la corrente del segnale, ma si verifica anche nei conduttori di riferimento di ritorno, dove la corrente di ritorno fluisce indietro alla sua fonte. È qui che si verificano fenomeni come il “rimbalzo di terra”, che è anche un caso di crosstalk che avviene nel conduttore di riferimento di ritorno.

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Comprendere il Crosstalk e i Suoi Effetti

Il fenomeno del crosstalk si verifica per due motivi principali: accoppiamento capacitivo e accoppiamento induttivo tra conduttori. Quando due o più tracce sono posizionate troppo vicine tra loro, e quando una tensione di segnale e corrente cambiano nel tempo, i campi marginali (campi elettrici e magnetici) ai bordi delle tracce di segnale (chiamate l'Aggressore) possono accoppiarsi alle tracce vicine (Vittime), risultando in rumore indesiderato su queste tracce vicine.

Il compito del progettista di PCB, in termini di riduzione del crosstalk e di riduzione efficace dell'EMI, è minimizzare gli effetti che questi campi marginali hanno sugli altri conduttori, in modo che il rumore non si propaghi da una traccia all'altra.

Figura 3 - Esempio di accoppiamento induttivo e capacitivo tra tracce di segnale

In termini di EMI, questo diventa un problema quando il rumore genera emissioni sia dalle tracce del PCB, sia dai fili connessi a queste tracce, sia dai conduttori.

Tipi di diafonia

Quando si tratta di diafonia, è anche importante distinguere tra due tipi: Diafonia in prossimità (NEXT) e Diafonia a distanza (FEXT).

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Diafonia in prossimità, chiamata anche NEXT, è il tipo di diafonia che si verifica alla stessa estremità della linea di trasmissione dove viene trasmesso il segnale. Essenzialmente, è l'interferenza raccolta da un conduttore vicino all'estremità di trasmissione del circuito.

Diafonia a distanza, o FEXT, si riferisce alla diafonia che si verifica all'estremità opposta della linea di trasmissione da dove viene trasmesso il segnale. È l'interferenza raccolta da un conduttore vicino all'estremità di ricezione del circuito. La differenza chiave è che la NEXT si verifica vicino all'estremità della sorgente, mentre la FEXT si verifica vicino all'estremità di destinazione. La NEXT avviene nella direzione inversa della propagazione del segnale (direzione all'indietro), mentre la FEXT avviene nella direzione della propagazione del segnale (direzione in avanti).

Esempi pratici e strategie di layout in Altium Designer^®

Senza addentrarci troppo nelle complessità del crosstalk dei segnali, che potrebbero riempire un'intera serie, esistono diversi modi per ridurne gli effetti. La maggior parte di queste tecniche dipende dal modo in cui progettiamo il layout del PCB, il che significa che il modo in cui progettiamo geometricamente il PCB diventa molto importante. I modi più efficaci per ridurre il crosstalk sono, infatti, legati a come disponiamo i conduttori relativamente l'uno all'altro sul PCB.

Una delle prime strategie che possiamo utilizzare è aumentare lo spazio tra i conduttori in modo che i campi elettrici e magnetici non si accoppino tra loro.

Figura 4 - Esempio di spaziatura delle tracce di segnale prima e dopo il miglioramento

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Un'altra tecnica che possiamo utilizzare è ridurre lo spazio tra le tracce di segnale e il piano di riferimento di ritorno. Questo accoppierà strettamente i campi del segnale con i loro piani di riferimento di ritorno, riducendo la diffusione di questi campi ad altri conduttori.

Inoltre, riducendo la lunghezza di entrambi i conduttori, il conduttore del segnale e il conduttore di riferimento di ritorno, si ridurrà la quantità di accoppiamento tra diverse reti. Questo è anche intuitivo, poiché meno il conduttore è esposto, minore è la possibilità che il rumore si accoppi con altri conduttori.

Figura 5 - Vista 3D di piani di riferimento per segnale e ritorno accoppiati strettamente con Altium Designer^®

Un altro metodo comune per ridurre il crosstalk, che viene applicato efficacemente a IC, connettori e tracce PCB, consiste nel fornire più conduttori per il percorso di ritorno di diversi segnali.

Questo significa, ad esempio, utilizzare più percorsi di ritorno quando si usano cavi a nastro o altri connettori, invece di usare un unico conduttore di ritorno per molteplici reti di segnale.

Strategie di simulazione con Altium Designer^®

Invece di affidarsi a supposizioni informate sul crosstalk nel nostro layout di circuito, è importante utilizzare strumenti avanzati per calcoli precisi.

La funzionalità di Integrità del Segnale integrata in Altium Designer^® è uno strumento potente a questo scopo. Questa funzionalità ci permette di simulare e analizzare il crosstalk attraverso le tracce PCB, consentendo previsioni accurate e una comprensione più profonda dei livelli di crosstalk. Utilizzando questo strumento, possiamo rifinire e ottimizzare il nostro design con maggiore precisione.

Figura 6 - Esempio di simulazione del crosstalk utilizzando Altium Designer^®

Lo strumento di Integrità del Segnale offre simulazioni dettagliate che ci aiutano a valutare vari compromessi di progettazione. Comprendere questi compromessi è essenziale per minimizzare le interferenze e ottenere prestazioni ottimali. Le intuizioni ottenute da questo strumento sono molto più affidabili di quelle ottenute solo attraverso supposizioni.

Figura 7 - Esempio di valutazione del diafonia utilizzando lo strumento di Integrità del Segnale in Altium Designer

Sfruttare questo strumento avanzato ci aiuta a prendere decisioni informate, bilanciando le esigenze di prestazione con i vincoli di layout. Questo approccio migliora sia l'affidabilità che la funzionalità del nostro circuito, migliorando l'integrità del segnale e le prestazioni EMI, aumentando al contempo l'efficienza complessiva del design.

Conclusione

In conclusione, per ridurre efficacemente il diafonia del segnale e migliorare le prestazioni EMI dei nostri circuiti stampati, abbiamo a disposizione diverse strategie. L'uso dello strumento di Integrità del Segnale integrato in Altium Designer è indispensabile per prevedere e mitigare accuratamente il diafonia nei nostri layout PCB. Questo strumento ci consente di prendere decisioni basate sui dati, garantendo che i nostri progetti soddisfino le specifiche richieste e funzionino in modo affidabile in varie condizioni.

Se vi siete persi uno degli articoli precedenti della serie completa "Padroneggiare il Controllo EMI nel Design dei PCB", vi incoraggiamo vivamente a visitare le pagine di Altium per recuperare tutto il contenuto informativo.

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