Il trasferimento di rumore è fastidioso nei PCB, scopri come contenere il Crosstalk con l'esperto Lee Ritchey

Le parole crosstalk e coupling sono utilizzate per descrivere l'iniezione di energia elettromagnetica da una linea di trasmissione ad un'altra situata nelle vicinanze. Nei circuiti stampati, il crosstalk si verifica solitamente con due tracce che corrono una accanto all'altra nello stesso strato o una sopra l'altra in strati adiacenti. Questa energia accoppiata appare come rumore sulla traccia vittima e può causare malfunzionamenti se l'ampiezza è troppo grande. Scopri come questo rumore viene trasferito da traccia a traccia e i metodi per prevenirlo.

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CROSSTALK O COUPLING

Le parole crosstalk e coupling sono utilizzate per descrivere l'iniezione di energia elettromagnetica da una linea di trasmissione ad un'altra situata nelle vicinanze. Nei circuiti stampati, il crosstalk si verifica solitamente con due tracce che corrono una accanto all'altra nello stesso strato o una sopra l'altra in strati adiacenti. Questa energia accoppiata appare come rumore sulla traccia vittima e può causare malfunzionamenti se l'ampiezza è troppo grande. Questa sezione descriverà come questo rumore viene trasferito da traccia a traccia e i metodi per prevenirlo.

La Figura 1 è un diagramma che mostra due linee di trasmissione che viaggiano una accanto all'altra. La linea di trasmissione superiore è mostrata in commutazione e quella inferiore è inattiva. Si notino le due forme d'onda a fianco della linea vittima. Una si trova alla fine delle linee dove il driver è sulla linea pilotata e l'altra all'estremità opposta o estremità lontana. Si noti che le forme d'onda sono diverse. La forma d'onda all'estremità del driver della linea vittima è solitamente chiamata diafonia indietro o "diafonia vicina", "NEXT" e la forma d'onda all'estremità lontana della linea vittima è "diafonia in avanti" o "diafonia all'estremità lontana", "FEXT".

L'aspetto esatto di queste due forme d'onda dipende da cosa si trova ai quattro estremi delle linee di trasmissione. Le possibilità sono: un cortocircuito, una terminazione o un circuito aperto. Il riferimento 1 alla fine di questa unità descrive in dettaglio come queste terminazioni influenzano i segnali osservati sulla linea vittima. Da quel documento si osserverà che il caso peggiore si verifica quando gli estremi lontani di entrambe le linee sono circuiti aperti e l'estremità vicina della linea vittima è un cortocircuito. Questo è il modo in cui operano la maggior parte dei circuiti CMOS. In queste condizioni, le forme d'onda viste sulla linea vittima assomiglieranno molto a quelle mostrate in Figura 1.

In questa discussione, l'analisi sarà condotta utilizzando questo insieme di condizioni del "caso peggiore".

Figura 1 Due Linee di Trasmissione Affiancate che Interagiscono

La Figura 2 mostra come le due forme di diafonia (in avanti e all'indietro) variano man mano che la lunghezza delle due linee di trasmissione che viaggiano affiancate diventa maggiore. Si noti che la diafonia in avanti aumenta più lentamente rispetto alla diafonia all'indietro man mano che la lunghezza accoppiata diventa maggiore. Inoltre, si noti che arriva un punto in cui la diafonia all'indietro non aumenta con l'aumentare della lunghezza accoppiata. Questo viene chiamato la "lunghezza critica" o la lunghezza alla quale la diafonia all'indietro non continua ad aumentare o a saturare.

Il crosstalk diretto aumenta molto più lentamente rispetto al crosstalk inverso e non diventa un fattore nei circuiti stampati poiché la lunghezza della corsa parallela è troppo breve. Questa forma di crosstalk era un grosso problema per le compagnie telefoniche quando le linee erano lunghe molti metri. Questa sezione si concentrerà sui modi per controllare il crosstalk inverso.

Figura 2. Crosstalk Diretto e Inverso in Funzione della Lunghezza Accoppiata

Metodi per Controllare il Crosstalk Inverso con Routing Lato a Lato

Quando le linee di trasmissione corrono l'una accanto all'altra, il meccanismo di accoppiamento è dominato dalla componente magnetica del campo elettromagnetico. Nel routing sopra e sotto, dominerà il campo elettrico.

Sono stati proposti diversi metodi per controllare il crosstalk inverso. Tra questi ci sono:

• Limitare la lunghezza in cui le linee di trasmissione corrono l'una accanto all'altra
• Inserire "tracce di guardia" tra le due linee di trasmissione
• File di "via di terra" su entrambi i lati di un segnale sensibile

Limitare la Lunghezza della Corsa Parallela

Il metodo più proposto per controllare il crosstalk consiste nel limitare la lunghezza lungo la quale due linee di trasmissione corrono affiancate. Esistono addirittura routine in diversi router PCB che permettono di inserire un numero di lunghezza e consentono allo strumento di routing di evitare percorsi più lunghi di questa misura. Affinché questo metodo funzioni, questa lunghezza deve essere inferiore alla lunghezza critica mostrata nella Figura 2. Se la lunghezza di una corsa parallela raggiunge la lunghezza critica, si può osservare che continuare a correre in parallelo oltre quel punto non comporta un aumento del crosstalk. La Figura 3 è un grafico della lunghezza critica in funzione del tempo di salita del segnale. Ci sono tre curve sul grafico corrispondenti a tre diversi costanti dielettriche (er). Due corrisponde al Teflon, tre corrisponde alla maggior parte dei cavi a nastro e quattro corrisponde alla maggior parte dei dielettrici trovati nei PCB.

Come si può vedere, man mano che i tempi di salita diventano più rapidi, la lunghezza critica si riduce. Con un tempo di salita di 1,4 nSec, la lunghezza critica è di circa 6 pollici o 15 cm. Se il router fosse impostato per consentire tre pollici di corsa parallela, sarebbe possibile realizzare la maggior parte delle connessioni nella maggior parte dei progetti senza esaurire lo spazio sulla scheda o i livelli. Sfortunatamente, pochissimi circuiti integrati moderni sono così lenti. Attualmente, tempi di salita veloci come 100 picosecondi sono molto comuni. Guardando la Figura 3, si può vedere che la lunghezza critica a 100 picosecondi è inferiore a mezzo pollice o circa 1,5 cm. Con questi tempi di salita, il controllo della lunghezza non funzionerà. Questo è noto da molto tempo nell'industria dei supercomputer e non è stato il metodo utilizzato per controllare il crosstalk indietro.

Figura 3. Lunghezza Critica in Funzione del Tempo di Salita del Segnale

Se il controllo della lunghezza per limitare il crosstalk non funziona, quale metodo funziona?

Riferendosi alla Figura 2, si può notare che una volta raggiunta la lunghezza critica, continuare a instradare in parallelo non comporta un aumento del crosstalk. A questo punto, solo due parametri influenzano la quantità di crosstalk. Questi sono l'altezza rispetto al piano più vicino e la separazione bordo a bordo. La Figura 4 è un grafico che mostra come varia il crosstalk in funzione dell'altezza sopra il piano più vicino e della separazione bordo a bordo una volta raggiunta la lunghezza critica.

Figura 4. Crosstalk all'indietro in funzione dell'Altezza sopra il Piano e della Separazione, Stripline

La Figura 4 è intitolata "Stripline decentrata". Ciò significa che le linee di trasmissione si trovano tra due piani ma non sono centrate tra i due piani. Questo è tipico delle PCB che hanno due strati di segnale tra una coppia di piani. Si noti che il crosstalk diminuisce sostanzialmente man mano che l'altezza sopra il piano più vicino si riduce. Diminuisce anche più rapidamente man mano che le tracce vengono allontanate l'una dall'altra. La Figura 5 è un grafico che mostra questi valori per micro-stripline, strati di segnale che si trovano all'esterno di una PCB.

Figura 5. Crosstalk all'indietro in funzione dell'Altezza sopra il Piano e della Separazione, Micro-stripline

Tracce di Protezione

Molte regole empiriche hanno raccomandato l'inserimento di "tracce di guardia" tra le linee di trasmissione come metodo per controllare il crosstalk. Se questo metodo funziona, perché funziona? E se funziona, ci sono svantaggi nell'usare questo metodo? La "pratica standard" in molte aziende consiste nel tracciare con linee da 5 mil e spazi da 5 mil. Facendo riferimento alla Figura 4, se un PCB fosse tracciato seguendo queste regole e l'altezza sopra il piano più vicino fosse di 5 mil (anche), il crosstalk sarebbe di circa l'8%. Se questo fosse considerato eccessivo e venisse aggiunta una traccia di guardia, cosa comporterebbe? Per fare spazio alla traccia di guardia, è necessario aggiungere uno spazio di 5 mil e una traccia di 5 mil. Ora, la separazione da bordo a bordo è di 15 mil invece di 5 mil e il crosstalk è inferiore all'1%. Non è stata la traccia di guardia a causare questa diminuzione. È stata la separazione.

Gli svantaggi nell'aggiungere tracce di guardia sono: ciò rende il routing molto più difficile. La traccia di guardia non è una barriera. È un circuito risonante che può aumentare il crosstalk creando un filtro passa-banda.

Il metodo corretto per controllare il crosstalk nel routing fianco a fianco è solo la separazione.

Righe di Vias a "Terra"

Un metodo proposto da alcune note applicative e guru consiste nel posizionare delle "vias di terra" su entrambi i lati di una traccia "critica" per proteggere una linea di trasmissione sensibile. Questo tipo di regola non è accompagnato da alcuna prova della sua validità. È inoltre accompagnato da risposte vaghe quando si chiede quante vias utilizzare e a quale distanza. Se fosse utile e necessario, nessuno dei server e dei router che progettiamo ogni giorno sarebbe possibile, poiché non ci sarebbe abbastanza spazio per tutte quelle vias. Questa è una regola fasulla e non dovrebbe essere utilizzata. Un'osservazione predominante è che le regole di progettazione valide hanno dimostrazioni dirette. Questa non ne ha.

Metodi per il Controllo del Crosstalk Indietro con il Routing Sovrapposto e Sottostante

Quando si esegue il routing sovrapposto e sottostante, dove una linea di trasmissione si trova in un layer e l'altra nel layer sopra o sotto, il coupling è dominato dal campo elettrico quasi come se un piccolo condensatore fosse stato connesso tra le due linee di trasmissione. Le forme d'onda accoppiate hanno quell'aspetto. Con i bordi veloci della logica moderna, la quantità di energia accoppiata cresce così rapidamente con la sovrapposizione tra due tracce che supera i limiti consentiti con percorsi molto brevi.

L'unico modo sicuro per controllare il cross talk con i livelli di segnale adiacenti è instradare le tracce in un livello nella direzione X e nell'altro livello nella direzione Y. La maggior parte dei sistemi di layout PCB ha la capacità di specificare un livello come X e l'altro come Y per prevenire questo tipo di sovrapposizione. Sfortunatamente, molti di essi violeranno questa restrizione di tanto in tanto, quindi è necessario un doppio controllo dopo l'instradamento per assicurarsi che questa regola sia stata seguita.

Calcolo del Crosstalk

Ci sono molte regole empiriche in circolazione su come spaziare le tracce per controllare il crosstalk. Tra queste ci sono: tre volte l'altezza sopra il piano più vicino; due volte la larghezza della traccia e quattro volte la larghezza della traccia. Queste possono sembrare un po' arbitrarie e lo sono. Per determinare quale debba essere la spaziatura, la prima domanda a cui bisogna rispondere è quanto rumore di crosstalk è accettabile? Questo dipende da diverse cose, inclusa se la traccia vittima è affiancata da un'altra traccia con un'ampiezza molto maggiore o se è affiancata da un'altra traccia con un segnale di ampiezza simile.

Determinare Quanto Rumore è Accettabile

Nel riferimento 2 alla fine di questa sezione c'è un capitolo sulla creazione di regole di progettazione utilizzando l'analisi del margine di rumore. In questa sezione si mostra che il budget di rumore di una famiglia logica è consumato da diverse fonti di rumore. Per i CMOS ci sono quattro fonti principali di rumore. Queste sono: diafonia, riflessioni, ondulazioni su Vdd e rimbalzo di terra nei pacchetti IC. Una volta calcolata la quantità di rumore delle ultime tre, questa viene sottratta dal margine di rumore della famiglia logica per arrivare alla quantità di diafonia che può essere tollerata.

Un Metodo Analitico per Determinare la Diafonia

Ci sono strumenti analitici che permettono di calcolare la diafonia che risulterà da una geometria proposta tra due linee di trasmissione. La Figura 6 è uno screenshot in Hyperlynx^® di una coppia di linee di trasmissione che verranno utilizzate per calcolare la diafonia per una geometria proposta. Si tratta di due circuiti CMOS con quello superiore attivo e quello inferiore impostato su un logico 0.

Figura 6. Diagramma del Circuito usato per Calcolare la Diafonia

La figura 7 mostra una schermata che indica come viene specificata la separazione tra le tracce così come la larghezza e l'altezza della traccia sopra il piano. È importante notare che la larghezza della traccia non influisce sul crosstalk, solo la separazione bordo a bordo e l'altezza sopra il piano più vicino sono coinvolti una volta che le linee di trasmissione sono state instradate oltre la "lunghezza critica".

Figura 7. Schermata che Mostra la Geometria della Coppia Accoppiata in Figura 6

La figura 8 è un insieme di forme d'onda che risultano quando la linea pilotata passa da un logico 1 a un logico 0. La forma d'onda rossa è il segnale sul driver sulla linea pilotata e la forma d'onda viola è il segnale sul ricevitore sulla linea pilotata. La linea gialla piatta è l'uscita della linea vittima che è a un logico 0 e la forma d'onda con il dosso su di essa è l'estremità del ricevitore della linea vittima.

Figura 8. Forme d'Onda Quando la Linea Pilotata in Figura 6 Cambia

Il rumore sulla linea vittima appare all'estremità "in avanti" o ricevente della linea vittima e non sembra essere un diafonia retrograda, che dovrebbe apparire all'estremità "all'indietro" della linea vittima. Il motivo di ciò è che l'estremità pilotata della linea vittima è un logico 0, che è un cortocircuito. Dalla sezione sulle linee di trasmissione si è osservato che i cortocircuiti non assorbono energia. Invece, la riflettono come una forma d'onda invertita come è stato mostrato nella Figura 8. La seconda osservazione nella sezione delle linee di trasmissione è che anche i circuiti aperti non assorbono l'energia ma la riflettono indietro raddoppiata, come nel caso della Figura 8.

L'ampiezza della diafonia nella Figura 8 è di circa 1 volt su una linea di segnale di 3.3 volt. Questo è chiaramente troppo grande. La soluzione è tornare alla schermata dove vengono impostati altezza e spaziatura e regolare uno o entrambi fino a quando la diafonia risultante è all'interno della finestra di progettazione. Una volta completata questa analisi, le regole sulla diafonia che ne risultano saranno precise e non il risultato di qualche regola empirica arbitraria.

RIFERIMENTI PER IL DESIGN AD ALTA VELOCITÀ

• “90 Degree Corners, The Final Turn” Doug Brooks, etal, Printed Circuit Design, gennaio 1998.
• INTEGRITÀ DEL SEGNALE - SEMPLIFICATA, Eric Bogatin, Prentice Hall, 2004.
• “Riflessioni e Crosstalk nelle Connessioni dei Circuiti Logici,” John A DeFalco, IEEE Spectrum, Luglio 1970.
• “Right the First Time, un Manuale Pratico sulla Progettazione di PCB e Sistemi ad Alta Velocità, Volumi 1 & 2,” Zasio e Ritchey, Speeding Edge 2003 e 2006.

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