Czy to szum przełączania równoczesnego czy przebicie sygnału?

W obliczu wielości problemów z integralnością sygnału, które mogą pojawić się w rzeczywistych PCB, jak doświadczony projektant może je wszystkie odróżnić? Niektóre problemy są bardziej oczywiste niż inne, z rozwijanymi specyficznymi pomiarami integralności sygnału, przeznaczonymi do testowania i mierzenia konkretnych aspektów zachowania sygnału.

Jedno z pytań, które się pojawia, dotyczy pojawienia się fluktuacji napięcia wyjściowego na bankach I/O, znanej jako szum przełączania równoczesnego lub, bardziej popularnie, jako odbicie masy. Jeśli zbadamy napięcie indukowane, gdy wiele wyjść przełącza się jednocześnie, ten typ fluktuacji potencjału wygląda bardzo podobnie do indukcyjnego sprzężenia zwrotnego (tj. bliskiego końca) crosstalk. Faktem jest, że na pojedynczym połączeniu jednocześnie mogą występować różne problemy z integralnością sygnału. Więc jak można właściwie odróżnić te dwa i określić, czy układ wymaga zmiany? Przeanalizujmy oba efekty i ustalmy, który ma większy wpływ na integralność sygnału.

Co to jest szum przełączania równoczesnego?

Widziałem, że projektanci układów scalonych (IC) zwykle używają terminu "jednoczesny szum przełączania", podczas gdy projektanci PCB częściej używają określenia "odbicie masy" do opisania tego samego zjawiska. Jednoczesny szum przełączania odnosi się do pozornej zmiany potencjału płaszczyzny masy w pobliżu przełączającego się układu scalonego. W rzeczywistości potencjał płaszczyzny masy w PCB się nie zmienił, raczej rozwinął się potencjał między płaszczyzną masy PCB a płaszczyzną masy obudowy układu scalonego.

To jest efekt pasożytniczy, który pojawia się z powodu pasożytniczej indukcyjności pin-pakietu. W idealnym układzie scalonym, drut łączący, ramka prowadząca oraz wszelkie miedziane połączenia pinu masy z płaszczyzną masy PCB są doskonałymi przewodnikami o zerowej indukcyjności, ale rzeczywiste PCB nie zachowują się w ten sposób. Kiedy układ scalony przełącza się, pasożytnicza indukcyjność tych elementów (które wszystkie mogą być połączone szeregowo) tworzy potencjał, który przeciwdziała przepływowi prądu między płaszczyzną masy PCB a obwodem bufora I/O na półprzewodniku.

Typowy model obwodu używany do zrozumienia tych pasożytów jest pokazany poniżej.

• Dowiedz się więcej o odbiciu masy w tym artykule

Ponieważ płaszczyzna masy jest punktem odniesienia dla wyjścia pinu i matrycy, musi istnieć niezerowe napięcie między płaszczyzną masy matrycy sterownika a płaszczyzną masy PCB, podczas gdy odbiornik jest odniesiony do płaszczyzny masy PCB. Zapoznaj się z tym artykułem, aby uzyskać więcej informacji na temat odbicia masy.

Jeśli spojrzysz na ślad oscyloskopu śledzący wyjście z I/O, może on pokazać dzwonienie spowodowane przepływem prądu wzdłuż wyżej wymienionej ścieżki. Gdy wiele I/O przełącza się jednocześnie, efektywnie pobierają one prąd z tego samego zasilania I/O równolegle. Efektywnie, siły elektromotoryczne (EMF) generowane przez wiele I/O nakładają się na poszkodowane I/O z powodu podniesionego potencjału masy mierzonego w pobliżu ofiary. Wynikiem jest zazwyczaj niedotłumiona forma fali dzwonienia.

Jak można zredukować to dzwonienie? Powody tego zjawiska są następujące:

• Niewystarczająca pojemność dekapująca i/lub omijająca na zasilaniu I/O
• Niewystarczające tłumienie wzdłuż ścieżki prądowej bufora I/O
• Nadmierna indukcyjność wzdłuż ścieżki masy i ścieżki powrotu masy
• Nadmierna indukcyjność wzdłuż ścieżki pojemności omijającej

Zazwyczaj redukujemy indukcyjność, używając płaszczyzny GND (redukujemy rozprzestrzenianie się indukcyjności) i zapewniając bezpośrednią ścieżkę do każdego połączenia z GND. Następnie upewniamy się, że połączenie z kondensatorem obwodowym jest również krótkie, aby nie było indukcyjności wzdłuż tej ścieżki.

Użycie rezystora szeregowego do tłumienia zwykle nie jest stosowane w kanałach wysokiej prędkości, ponieważ szybkość narastania sygnału staje się zbyt wolna i zbyt dużo mocy jest tracone na rezystorze, jeśli dąży się do krytycznego tłumienia na krawędzi. Można go używać w wolniejszych magistralach o szybkiej szybkości narastania, takich jak SPI, ponieważ te magistrale nie potrzebują szybkiej szybkości narastania i nie mają specyfikacji impedancji.

Porównanie z Crosstalkiem Wstecznym

Jeśli zmierzysz wyjście z komponentu słabo odciążonego, fluktuacja napięcia widoczna na wyjściu przypomina sygnał, który wygląda jak szczyt napięcia/prądu spowodowany indukcyjnym NEXT. Problem w odróżnieniu dwóch polega na elementach pasożytniczych:

• Rzeczywiste płaszczyzny uziemienia i ścieżki powrotne z układów scalonych mają pasożytniczą wzajemną indukcyjność i oporność. Innymi słowy, mogą one przenosić crosstalk między sobą, tak jak para ścieżek sygnałowych.
• Jeśli układ scalony (IC) nie jest odłączony od płaszczyzny masy, napięcie wytworzone przez NEXT i odbicia masy może być podobne, ponieważ pasożytnicze indukcyjności mają tendencję do bycia podobnymi co do wielkości i polarności.

Drugi punkt, który wspomniałem, jest powodem, dla którego kondensatory omijające są używane w pobliżu układów scalonych z dużą liczbą wyprowadzeń/wysokimi prędkościami narastania/mocnym poborem prądu. Podobnie jak w przypadku kondensatorów sprzęgających w PDN, kondensator omijający używany w ten sposób nie odłącza ani nie omija niczego. Zamiast tego, po prostu dostarcza rezerwuar ładunku (i napięcia), który kompensuje odbicia masy lub jakiekolwiek inne fluktuacje napięcia widoczne między wyjściem a masą.

Tutaj pokazałem odpowiedź nadmiernie tłumioną w NEXT i FEXT, ale każdy z tych sygnałów może wykazywać dzwonienie, jeśli pasożytnicza samoindukcyjność jest wysoka. Chociaż forma fali odbicia masy występuje w równoważnym obwodzie RL, może ona również wykazywać dzwonienie z powodu rozproszonych pojemności; zazwyczaj ma to miejsce w komponentach CMOS. Ponadto, tłumienie doświadczane przez te sygnały będzie zależało od impedancji obciążenia. Ponieważ te sygnały mogą być dość dramatyczne, mogą powodować niezamierzone przełączanie w odbiorniku, jeśli margines szumów jest niewielki.

Jak rozróżnić szumy przełączania jednoczesnego i NEXT

To może być trudne zadanie, zwłaszcza gdy pracuje się z prototypową płytą, która ma pewne problemy z sygnałem. Kluczem jest próba oddzielenia efektów przeplotu i jednoczesnego przełączania szumów. Standardowa konfiguracja do mierzenia odbicia masy polega na podłączeniu izolowanego przewodnika (idealny jest kabel koncentryczny) od komponentu obciążenia bezpośrednio do miernika, który jest utrzymywany na tym samym potencjale masy co sterownik i odbiornik. Utrzymuj wyjście sterujące na tym pinie w stanie NISKIM, i steruj wszystkimi innymi wyjściami na sterowniku. To zapewnia bezpośredni pomiar odbicia masy, ale ta konfiguracja nadal ma problem, ponieważ ślad NISKI jest nadal podatny na przeplot.

Na szczęście istnieje lepszy sposób, aby to zrobić. Howard Johnson zaleca wykonanie tego, przecinając podejrzany ślad i podłączając bezpośrednio od sterownika i odbiornika kabel koncentryczny o dopasowanej impedancji, a następnie mierzenie sygnału wchodzącego do kabla. Kabel koncentryczny będzie ekranowany przed przeplotem, co pozwoli na pomiar fluktuacji napięcia spowodowanych tylko i wyłącznie przez odbicie potencjału w tym przewodniku. To zmierzone napięcie będzie widoczne dla wszystkich innych przełączających wyjść, podczas gdy jakiekolwiek fluktuacje napięcia spowodowane przez przeplot będą się różnić na wszystkich ścieżkach. Należy zauważyć, że w tej konfiguracji wyjście sterownika podłączone do kabla koncentrycznego powinno być również utrzymane w stanie NISKIM, podczas gdy pozostałe wejścia/wyjścia są sterowane.

Kiedy zauważysz jakąś zmianę na wyjściu z układu scalonego i podejrzewasz, że odbicie potencjału jest nadmierne, być może najłatwiejszym sprawdzeniem jest zamiana kondensatora omijającego na większy. Kondensator omijający nie wpłynie na sygnał przeplotu, ale wpłynie na sygnał odbicia potencjału. Jeśli zwiększysz pojemność omijającą i fluktuacja napięcia nie zmieni się znacząco (lub wcale się nie zmieni), wiesz, że silne odbicie potencjału nie jest źródłem problemu.

Dzięki narzędziom do symulacji po rozmieszczeniu elementów i analizie przeplotu w Altium Designer®, możesz łatwo symulować przeplot w swoim układzie i użyć tego jako punktu odniesienia do dalszych pomiarów. Wyniki te mogą być używane jako odniesienie do wyników testów i pomiarów, co pomaga weryfikować, czy szumy powstałe w wyniku jednoczesnego przełączania powodują poważne problemy na twojej płytce. Będziesz miał również dostęp do szerokiej gamy narzędzi do symulacji obwodów, zarządzania danymi komponentów i przygotowania do produkcji.

Teraz możesz pobrać darmową wersję próbną Altium Designer i dowiedzieć się więcej o najlepszych w branży narzędziach do projektowania układów, symulacji i planowania produkcji. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.