Introduzione alla progettazione PCB ad alta velocità: Come eliminare la diafonia

Recentemente, ad un ricevimento di nozze, stavo cercando di parlare con un signore che era seduto al mio stesso tavolo. Sfortunatamente, c'era una donna seduta tra di noi, che continuava a conversare con qualcun altro seduto dalla parte opposta alla mia. Con tutto il rumore del ricevimento in sottofondo, era difficile iniziare una conversazione. Continuare a discutere tra di noi ha reso la nostra conversazione impossibile. Tra di noi c'era diafonia!

La diafonia, durante una conversazione, può essere molto fastidiosa, mentre la diafonia sul tuo layout PCB può essere disastrosa. Se non viene corretta, la diafonia può far si che il tuo circuito stampato non funzioni del tutto, oppure può far si che sia afflitto da problemi intermittenti. Cerchiamo di capire cos'è la diafonia e cosa si puoi fare per prevenirla.

Cos'è la diafonia nella progettazione PCB ad alta velocità?

La diafonia è l'accoppiamento elettromagnetico involontario tra le piste di un circuito stampato. Questo accoppiamento può far sì che gli impulsi del segnale di una traccia sovrastino il segnale dell'altra traccia nonostante non si tocchino fisicamente. Questo può accadere quando la distanza tra le tracce parallele è minima. Nonostante le tracce possano mantenere la distanza minima per scopi di produzione, questo potrebbe non essere sufficiente per scopi elettromagnetici.

Considera due piste parallele l'una all'altra. Se il segnale in una pista ha un'ampiezza maggiore dell'altra, potrebbe influenzare in modo aggressivo l'altra pista. Il segnale nella pista "influenzata" inizierà quindi a imitare le caratteristiche della pista influenzante, invece di condurre il proprio segnale. Quando questo accade, si ha la diafonia. 

La diafonia viene generalmente considerata come se avvenisse tra due piste parallele che corrono l'una accanto all'altra sullo stesso strato. C'è una possibilità ancora maggiore, tuttavia, che la diafonia si verifichi tra due piste parallele che corrono l'una accanto all'altra su strati adiacenti. Questo è chiamato accoppiamento broadside, ed è più probabile che avvenga perché i due layer di segnale adiacenti sono separati da una quantità molto piccola di dielettrico. Questo spessore può essere di 4 mils (0,1 millimetri) che a volte è inferiore alla distanza tra due piste sullo stesso livello.

^{Lo spazio fra le piste, per eliminare la diafonia in un PCB ad alta velocità, è in genere più ampio rispetto ai normali requisiti}

Rimozione del potenziale di diafonia dal tuo progetto

Fortunatamente non sei in balia della diafonia. Progettando la tua scheda per ridurre al minimo il potenziale delle situazioni di diafonia, puoi evitare questi problemi. Ecco alcune tecniche di progettazione che ti aiuteranno ad eliminare la possibilità di diafonia sulla tua scheda: 

1. Mantieni la più ampia distanza possibile tra le coppie differenziali e l'instradamento di altri segnali. La regola empirica è che la distanza sia pari a 3 volte la larghezza della pista.

2. Mantieni la più ampia differenza tra l'instradamento del clock e l'altro instradamento del segnale. La stessa distanza è uguale a 3 volte la larghezza della pista. La regola empirica funziona anche qui.

3. Mantieni la più ampia distanza possibile tra i diversi set di coppie differenziali. La regola empirica qui è leggermente maggiore. La distanza è uguale a 5 volte la larghezza della pista.

4. I segnali asincroni (come RESET, INTERRUPT, ecc.) devono essere instradati lontano dai bus e dai segnali ad alta velocità. Possono essere instradati accanto ai segnali di accensione e spegnimento o di potenza, perché questi segnali sono raramente utilizzati durante il normale funzionamento della scheda.

5. Assicurati che due Layer di segnale, adiacenti l'uno all'altro nello Stackup della tua scheda, si alternino nell'instradamento in direzione orizzontale e verticale. In questo modo ridurrai la possibilità di accoppiamento broadside, evitando che le piste scorrano parallelamente l'una sull'altra.

6. Un modo migliore per ridurre la potenziale diafonia tra due Layer di segnale adiacenti è quello di separare i livelli con un Layer piano di massa tra loro in una configurazione microstrip. Il piano di massa non solo aumenterà la distanza tra i due Layer di segnale, ma fornirà anche il percorso di ritorno richiesto per i Layer di segnale.

^{I tuoi strumenti di progettazione PCB e le applicazioni di terze parti possono aiutarti a eliminare la diafonia}

Come il tuo software può aiutarti ad eliminare la diafonia nella progettazione PCB ad alta velocità

Gli strumenti di progettazione PCB hanno molte funzionalità incorporate per aiutarti a evitare la diafonia nei tuoi progetti. Le regole del livello della scheda ti aiuteranno ad evitare l'accoppiamento broadside, specificando le direzioni d'instradamento e creando stackup microstrip. Con le regole di Net Class, sarai in grado di assegnare uno spazio tra le piste maggiore a gruppi di Net che sono più suscettibili alla diafonia. La funzione Diff Pair Routing consentirà di tracciare le tue coppie differenziali come una coppia effettiva, invece di instradarle singolarmente. Ciò manterrà la spaziatura richiesta tra le piste delle coppie differenziali e le altre reti, per evitare la diafonia. 

Oltre alla funzionalità integrata del tuo software di progettazione PCB, esistono altri strumenti che possono aiutarti a eliminare la diafonia nella progettazione PCB ad alta velocità. Hai a disposizione diversi calcolatori di diafonia per aiutarti a determinare la corretta larghezza e la spaziatura della traccia per il tuo instradamento. Ci sono in aggiunta simulatori d'integrità del segnale per analizzare il tuo progetto e ricercare potenziali problemi di diafonia.

La diafonia può essere un grosso problema su un circuito stampato, se si verifica. Ora che sai come agire potrai evitare che si verifichi nel tuo progetto. I suggerimenti di progettazione di cui abbiamo discusso, assieme alle funzionalità del tuo software di progettazione PCB, ti aiuteranno a creare una progettazione senza diafonia.

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