Si tratta di rumore da commutazione simultanea o di diafonia?

Con la moltitudine di problemi di integrità del segnale che possono sorgere nelle reali PCB, come può il progettista accorto distinguerli tutti? Alcuni problemi sono più chiari di altri, con misurazioni specifiche dell'integrità del segnale sviluppate per testare e misurare aspetti particolari del comportamento del segnale.

Una domanda che sorge riguarda l'apparizione di una fluttuazione nella tensione di uscita su un banco di I/O, nota come rumore di commutazione simultanea o, più popolarmente, come rimbalzo di terra. Se si esamina la tensione indotta quando più uscite commutano simultaneamente, questo tipo di fluttuazione potenziale assomiglia molto al diafonia induttiva all'indietro (cioè, vicino all'estremità). Il fatto è che, su un singolo interconnesso, potrebbero essere presenti simultaneamente più problemi di integrità del segnale. Quindi, come si può distinguere correttamente tra i due e determinare se il layout necessita di una modifica? Analizziamo i due effetti e determiniamo quale ha un impatto maggiore sull'integrità del segnale.

Che cos'è il Rumore di Commutazione Simultanea?

Ho notato che i progettisti di IC tendono tipicamente a utilizzare il termine "rumore di commutazione simultanea" mentre i progettisti di PCB usano più spesso "rimbalzo di terra" per descrivere lo stesso fenomeno. Il rumore di commutazione simultanea si riferisce a un'apparente variazione del potenziale del piano di massa vicino a un IC in commutazione. In realtà, il potenziale del piano di massa nel PCB non è cambiato, piuttosto si è sviluppato un potenziale tra il piano di massa del PCB e il piano di massa del die del package.

Questo è un effetto parassitico che sorge a causa dell'induttanza parassitica pin-package. In un IC ideale, il filo di collegamento, il telaio di montaggio e qualsiasi rame che collega il pin di massa al piano di massa del PCB sono conduttori perfetti con induttanza zero, ma i PCB reali non si comportano in questo modo. Quando l'IC commuta, l'induttanza parassitica in questi elementi (tutti quanti possono essere presi in serie) sviluppa un potenziale che si oppone alla corsa di corrente tra il piano di massa del PCB e il circuito del buffer I/O sul semiconduttore.

Il modello di circuito tipico utilizzato per comprendere questi parassiti è mostrato di seguito.

• Scopri di più sul rimbalzo di terra in questo articolo

Poiché il piano di massa è il riferimento per il pin di uscita e il die, deve esserci una tensione non nulla tra il piano di massa del die del driver e il piano di massa del PCB, mentre il ricevitore è riferito al piano di massa del PCB. Dai un'occhiata a questo articolo per maggiori informazioni sul rimbalzo di massa.

Se osservi una traccia su un oscilloscopio che segue l'uscita da un I/O, può mostrare un'oscillazione a causa della corrente che viene assorbita lungo il percorso sopra descritto. Quando più I/O cambiano simultaneamente, stanno effettivamente prelevando dalla stessa alimentazione I/O in parallelo. Di fatto, le forze elettromotrici indietro generate da più I/O si sovrappongono su un I/O vittima a causa del potenziale di massa elevato misurato vicino alla vittima. Il risultato è tipicamente un'onda oscillante sottosmorzata.

Come può essere ridotta questa oscillazione? Le ragioni per cui ciò si verifica sono le seguenti:

• Capacità di decoupling e/o bypass insufficienti sull'alimentazione I/O
• Smorzamento insufficiente lungo il percorso di corrente lungo il buffer I/O
• Induttanza eccessiva lungo la traccia GND e il percorso di ritorno GND
• Induttanza eccessiva lungo il percorso della capacità di bypass

Normalmente, riduciamo l'induttanza utilizzando un piano di GND (riducendo l'induttanza di dispersione) e fornendo un percorso diretto per qualsiasi connessione a GND. Ci assicuriamo poi che la connessione al condensatore di bypass sia anch'essa breve, in modo che non ci sia induttanza lungo quel percorso.

L'uso di una resistenza in serie per lo smorzamento tipicamente non viene utilizzato in un canale ad alta velocità, il motivo è che il tasso di variazione dell'edge diventa troppo lento e troppa potenza viene persa attraverso la resistenza se si mira allo smorzamento critico sull'edge. Può essere utilizzato su bus a baud rate più lenti con tasso di variazione dell'edge veloce, come SPI, perché quei bus non necessitano del tasso di variazione dell'edge veloce e non hanno una specifica di impedenza.

Confronto con il Crosstalk Indietro

Se si misura l'uscita da un componente mal bypassato, la fluttuazione di tensione vista all'uscita assomiglia a un segnale che sembra un picco di tensione/corrente dovuto all'NEXT induttivo. Il problema nel distinguere i due è legato ai parassiti:

• I piani di terra reali e i percorsi di ritorno dagli IC hanno induttanza e resistenza parassite mutuali. In altre parole, possono trasmettere crosstalk l'uno con l'altro, proprio come una coppia di tracce di segnale.
• Se un CI non è decouplato dal piano di massa, la tensione prodotta da NEXT e dal rimbalzo di terra può essere simile poiché le induttanze parassite tendono ad avere magnitudine e polarità simili.

Il secondo punto che ho menzionato è il motivo per cui i condensatori di bypass sono utilizzati vicino ai CI con un alto numero di pin di uscita/tempi di salita rapidi/forte assorbimento di corrente. Proprio come con i condensatori di decoupling nelle PDN, un condensatore di bypass utilizzato in questo modo non decoupla o bypassa nulla. Invece, fornisce semplicemente una riserva di carica (e tensione) che compensa il rimbalzo di terra o qualsiasi altra fluttuazione di tensione osservata tra l'uscita e la terra.

Qui, ho mostrato una risposta sovrasmorzata in NEXT e FEXT, ma uno qualsiasi di questi segnali può mostrare oscillazioni se l'auto-induttanza parassita è alta. Anche se la forma d'onda del rimbalzo di terra si verifica in un circuito equivalente RL, può anche mostrare oscillazioni a causa delle capacità parassite; ciò si verifica generalmente con i componenti CMOS. Inoltre, lo smorzamento sperimentato da questi segnali dipenderà dall'impedenza del carico. Poiché questi segnali possono essere piuttosto drammatici, possono causare commutazioni non intenzionali nel ricevitore se il margine di rumore è ridotto.

Come Distinguere il Rumore di Commutazione Simultanea e NEXT

Questo può essere un compito difficile, specialmente quando si lavora con una scheda prototipo che presenta alcuni problemi di segnale. La chiave è cercare di separare gli effetti del crosstalk e del rumore di commutazione simultanea. La configurazione standard per misurare il rimbalzo di terra consiste nel collegare un conduttore isolato (un cavo coassiale è l'ideale) da un componente di carico direttamente a un misuratore, che viene mantenuto allo stesso potenziale di terra del driver e del ricevitore. Mantieni l'uscita di controllo su questo pin BASSA, e attiva tutte le altre uscite sul driver. Questo fornisce una misurazione diretta del rimbalzo di terra, ma questa configurazione ha ancora un problema in quanto la traccia BASSA è ancora suscettibile al crosstalk.

Fortunatamente, esiste un modo migliore per fare ciò. Howard Johnson raccomanda di procedere tagliando la traccia sospettata di essere la vittima e collegando un cavo coassiale con impedenza abbinata direttamente dal driver al ricevitore, e misurare il segnale che entra nel coassiale. Il coassiale sarà schermato contro il diafonia, permettendoti di misurare le fluttuazioni di tensione dovute solo al rimbalzo di terra in questo conduttore. Questa tensione misurata sarà vista da tutte le altre uscite in commutazione, mentre qualsiasi fluttuazione di tensione dalla diafonia varierà su tutte le tracce. Nota che, in questa configurazione, l'uscita del driver connessa al coassiale dovrebbe anche essere mantenuta in stato LOW mentre gli altri I/O sono attivati.

Quando misuri qualche variazione nell'uscita da un IC e sospetti che il rimbalzo di terra sia eccessivo, forse il controllo più semplice è sostituire il tuo condensatore di bypass con un condensatore più grande. Il condensatore di bypass non influenzerà il segnale di diafonia, ma influenzerà il segnale di rimbalzo di terra. Se aumenti la capacità di bypass e la fluttuazione di tensione non cambia significativamente (o non c'è alcun cambiamento), sai che un forte rimbalzo di terra non è la fonte del problema.

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