Przenoszenie szumów w PCB jest irytujące, dowiedz się, jak ograniczyć przeploty od eksperta Lee Ritcheya

Słowa crosstalk i coupling są używane do opisania iniekcji energii elektromagnetycznej z jednej linii transmisyjnej do drugiej, biegnącej w pobliżu. W płytkach drukowanych crosstalk zazwyczaj dotyczy dwóch ścieżek biegnących obok siebie na tej samej warstwie lub jednej na wierzchu drugiej w sąsiednich warstwach. Ta sprzężona energia pojawia się jako szum na ścieżce ofiary i może powodować awarie, jeśli amplituda jest zbyt duża. Dowiedz się, jak ten szum jest przenoszony z ścieżki na ścieżkę i metody zapobiegania temu zjawisku.

Aby zobaczyć więcej zastosowań praktycznych tych koncepcji, kliknij poniżej, aby obejrzeć wideo i dowiedzieć się, jak obliczyć impedancję dla pojedynczej i różnicowej linii transmisyjnej w Altium Designer^®.

CROSSTALK LUB COUPLING

Słowa crosstalk i coupling są używane do opisania iniekcji energii elektromagnetycznej z jednej linii transmisyjnej do drugiej, biegnącej w pobliżu. W płytkach drukowanych crosstalk zazwyczaj dotyczy dwóch ścieżek biegnących obok siebie na tej samej warstwie lub jednej na wierzchu drugiej w sąsiednich warstwach. Ta sprzężona energia pojawia się jako szum na ścieżce ofiary i może powodować awarie, jeśli amplituda jest zbyt duża. W tej sekcji opisane zostanie, jak ten szum jest przenoszony z ścieżki na ścieżkę i metody zapobiegania temu zjawisku.

Rysunek 1 przedstawia schemat dwóch linii transmisyjnych biegnących obok siebie. Górna linia transmisyjna jest pokazana w trakcie przełączania, a dolna jest nieaktywna. Zauważ, że wzdłuż linii poszkodowanej znajdują się dwie formy fali. Jedna jest na końcu linii, gdzie znajduje się sterownik na linii sterowanej, a druga na przeciwnym końcu, czyli dalekim końcu. Zwróć uwagę, że kształty fal są różne. Fala na końcu linii poszkodowanej przy sterowniku jest zwykle nazywana wstecznym przesłuchem lub „przesłuchem bliskiego końca”, „NEXT”, a fala na dalekim końcu linii poszkodowanej to „przesłuch do przodu” lub „przesłuch dalekiego końca”, „FEXT”.

Dokładny wygląd tych dwóch przebiegów zależy od tego, co znajduje się na czterech końcach linii transmisyjnych. Możliwości to: zwarcie, zakończenie lub obwód otwarty. Referencja 1 na końcu tej jednostki opisuje szczegółowo, jak te zakończenia wpływają na sygnały obserwowane na linii ofiary. Z tego artykułu wynika, że najgorszy przypadek ma miejsce, gdy dalekie końce obu linii są obwodami otwartymi, a bliski koniec linii ofiary jest zwarty. Tak właśnie działają większość układów CMOS. W tych warunkach, przebiegi obserwowane na linii ofiary będą wyglądały bardzo podobnie do tych przedstawionych na Rysunku 1.

W tej dyskusji, analiza będzie przeprowadzona przy użyciu tego „najgorszego przypadku” warunków.

Rysunek 1 Dwie linie transmisyjne obok siebie oddziałujące

Rysunek 2 pokazuje, jak dwa rodzaje przesłuchów (do przodu i do tyłu) zmieniają się w miarę wydłużania się długości, na której dwie linie transmisyjne podróżują obok siebie. Zauważ, że przesłuch do przodu wzrasta wolniej niż przesłuch do tyłu, gdy sprzężona długość staje się dłuższa. Zwróć także uwagę, że dochodzi do momentu, gdy przesłuch do tyłu nie wzrasta wraz ze wzrostem sprzężonej długości. Nazywa się to „długością krytyczną” lub długością, przy której przesłuch do tyłu nie kontynuuje wzrostu lub nasycenia.

Przenikanie sygnału w przód wzrasta znacznie wolniej niż przenikanie sygnału wstecz i nie staje się czynnikiem w obwodach drukowanych, ponieważ długość równoległego biegu jest zbyt krótka. Ta forma przenikania sygnału stanowiła poważny problem dla firm telekomunikacyjnych, gdy linie miały wiele metrów długości. Ta sekcja skupi się na sposobach kontrolowania przenikania sygnału wstecz.

Rysunek 2. Przenikanie sygnału w przód i wstecz jako funkcja długości sprzężenia

Metody kontroli przenikania sygnału wstecz przy równoległym prowadzeniu

Gdy linie transmisyjne biegną obok siebie, mechanizm sprzęgania dominuje składnik magnetyczny pola elektromagnetycznego. W prowadzeniu góra-dół dominować będzie pole elektryczne.

Zaproponowano kilka metod kontroli przenikania sygnału wstecz. Wśród nich są:

• Ograniczenie długości, na której linie transmisyjne biegną obok siebie
• Wstawianie „śladów strażników” między dwiema liniami transmisyjnymi
• Rzędy „masowych” via po obu stronach wrażliwego sygnału

Ograniczenie długości równoległego biegu

Najczęściej proponowaną metodą kontroli przeplotu jest ograniczenie długości, na jakiej dwie linie transmisyjne biegną obok siebie. Istnieją nawet rutyny w kilku routerach PCB, które pozwalają na wprowadzenie liczby długości i umożliwiają narzędziu trasowania zapobieganie trasowaniu dłuższemu niż ta wartość. Aby ta metoda działała, długość ta musi być mniejsza niż krytyczna długość pokazana na rysunku 2. Jeśli długość równoległego biegu osiągnie długość krytyczną, można zauważyć, że kontynuowanie biegu równoległego poza tym punktem nie skutkuje zwiększonym przeplotem. Rysunek 3 przedstawia wykres krytycznej długości jako funkcji czasu narastania sygnału. Na wykresie znajdują się trzy krzywe odpowiadające trzem różnym stałym dielektrycznym (er). Dwa odpowiadają teflonowi, trzy odpowiadają większości kabli taśmowych, a cztery odpowiadają większości dielektryków znajdujących się w PCB.

Jak można zauważyć, im szybsze są czasy narastania, tym krótsza staje się krytyczna długość. Przy czasie narastania 1,4 nSec, krytyczna długość wynosi około 6 cali, czyli 15 cm. Gdyby router był ustawiony tak, aby pozwalać na trzy cale równoległego biegu, możliwe byłoby wykonanie większości połączeń w większości projektów bez wyczerpywania przestrzeni na płytce lub warstw. Niestety, bardzo niewiele nowoczesnych układów scalonych jest tak wolnych. Obecnie, czasy narastania tak szybkie jak 100 pikosekund są bardzo częste. Patrząc na Rysunek 3, można zauważyć, że krytyczna długość przy 100 pikosekundach jest mniejsza niż połowa cala, czyli około 1,5 cm. Przy takich czasach narastania, kontrola długości nie będzie działać. Jest to dobrze znane w przemyśle superkomputerów od bardzo długiego czasu i nie jest to metoda używana do kontroli sprzężenia zwrotnego.

Rysunek 3. Krytyczna długość jako funkcja czasu narastania sygnału

Jeśli kontrola długości nie działa w ograniczaniu sprzężenia, to jaka metoda działa?

Odnosząc się do Rysunku 2, można zauważyć, że po osiągnięciu krytycznej długości, kontynuowanie prowadzenia ścieżek równolegle nie skutkuje dodatkowym przeplotem. W tym momencie tylko dwa parametry wpływają na ilość przeplotu. Są to wysokość do najbliższej płaszczyzny oraz odległość krawędź do krawędzi. Rysunek 4 to wykres pokazujący, jak przeplot zmienia się w zależności od wysokości nad najbliższą płaszczyzną i odległości krawędź do krawędzi, po osiągnięciu krytycznej długości.

Rysunek 4. Przeplot wsteczny jako funkcja wysokości nad płaszczyzną i separacji, Stripline

Rysunek 4 nosi tytuł „Offcenter” Stripline. Oznacza to, że linie transmisyjne znajdują się między dwoma płaszczyznami, ale nie są wyśrodkowane między tymi dwoma płaszczyznami. Jest to typowe dla PCB, które mają dwie warstwy sygnałowe między parą płaszczyzn. Zauważ, że przeplot znacznie zmniejsza się wraz ze zmniejszeniem wysokości nad najbliższą płaszczyzną. Zmniejsza się również jeszcze szybciej, gdy ścieżki są oddalane od siebie. Rysunek 5 to wykres pokazujący te wartości dla mikro-pasków, warstw sygnałowych znajdujących się na zewnątrz PCB.

Rysunek 5. Przeplot wsteczny jako funkcja wysokości nad płaszczyzną i separacji, Micro-stripline

Ścieżki ochronne

Wiele reguł empirycznych zaleca wstawianie "ścieżek ochronnych" pomiędzy liniami transmisyjnymi jako metodę kontroli przeplotu. Jeśli to działa, dlaczego to działa? I jeśli działa, czy są jakieś wady stosowania tej metody? "Standardową praktyką" w wielu firmach jest prowadzenie tras z liniami o szerokości 5 mil i odstępami 5 mil. Odnosząc się do Rysunku 4, jeśli PCB byłoby trasowane zgodnie z tymi zasadami, a wysokość nad najbliższą płaszczyzną wynosiła również 5 mil, przeplot wynosiłby około 8%. Gdyby uznano to za nadmierne i dodano ścieżkę ochronną, co by to oznaczało? Aby zrobić miejsce na ścieżkę ochronną, należy dodać odstęp 5 mil i ścieżkę 5 mil. Teraz odległość krawędź do krawędzi wynosi 15 mil zamiast 5 mil, a przeplot jest mniejszy niż 1%. To nie ścieżka ochronna spowodowała ten spadek. To separacja.

Wady dodawania ścieżek ochronnych to: To sprawia, że trasowanie jest znacznie trudniejsze. Ścieżka ochronna nie jest barierą. Jest to obwód rezonansowy, który może zwiększać przeplot, tworząc filtr pasmowoprzepustowy.

Właściwą metodą kontrolowania przesłuchów w routingu side-by-side jest wyłącznie separacja..

Rzędy "ziemnych" przelotek

Metodą proponowaną przez niektóre notatki aplikacyjne i guru jest umieszczenie przelotek "masowych" po obu stronach "krytycznej" ścieżki, aby chronić wrażliwą linię transmisyjną. Tego rodzaju zasada nie jest poparta żadnym dowodem potwierdzającym jej ważność. Towarzyszą jej również niejasne odpowiedzi na pytania, ile przelotek użyć i w jakim rozstawie. Gdyby była użyteczna i konieczna, żaden z serwerów i routerów, które projektujemy każdego dnia, nie byłby możliwy, ponieważ nie byłoby wystarczająco dużo miejsca na wszystkie te przelotki. Jest to fałszywa zasada i nie powinna być stosowana. Nadrzędną obserwacją jest to, że ważne zasady projektowania mają proste dowody. Ta ich nie ma.

Metody kontrolowania sprzężenia wstecznego przy użyciu trasowania góra-dół

Gdy stosuje się trasowanie góra-dół, gdzie jedna linia transmisyjna znajduje się w jednej warstwie, a druga w warstwie powyżej lub poniżej, sprzężenie dominuje pole elektryczne, tak jakby między dwoma liniami transmisyjnymi został podłączony mały kondensator. Sprzężone przebiegi mają taki wygląd. Przy szybkich zboczach współczesnej logiki, ilość energii sprzężonej rośnie tak szybko wraz z nakładaniem się dwóch ścieżek, że przekracza dopuszczalne limity przy bardzo krótkich biegach.

Jedynym bezpiecznym sposobem na kontrolę przeplotu z sąsiednimi warstwami sygnałowymi jest prowadzenie ścieżek na jednej warstwie w kierunku X, a na drugiej w kierunku Y. Większość systemów do projektowania PCB posiada możliwość określenia jednej warstwy jako X, a drugiej jako Y, aby zapobiec tego rodzaju nakładaniu się. Niestety, wiele z nich od czasu do czasu narusza to ograniczenie, dlatego konieczne jest podwójne sprawdzenie po trasowaniu, aby upewnić się, że ta zasada została przestrzegana.

Obliczanie Przeplotu

Istnieje wiele praktycznych zasad dotyczących rozmieszczania ścieżek w celu kontrolowania przeplotu. Wśród nich są: trzykrotność wysokości nad najbliższą płaszczyzną; dwukrotność szerokości ścieżki oraz czterokrotność szerokości ścieżki. Brzmią one nieco arbitralnie i takie są. Aby określić, jakie powinno być rozstawienie, pierwszym pytaniem, które należy zadać, jest to, ile szumu przeplotu jest akceptowalne? Zależy to od kilku rzeczy, w tym od tego, czy ścieżka ofiary przebiega obok innej ścieżki o znacznie wyższej amplitudzie, czy też obok innej ścieżki z sygnałem o tej samej amplitudzie.

Określanie Akceptowalnego Poziomu Szumu

W odniesieniu 2 na końcu tej sekcji znajduje się rozdział na temat tworzenia reguł projektowych przy użyciu analizy marginesu szumów. W tej sekcji pokazano, że budżet szumów rodziny logicznej jest zużywany przez kilka źródeł szumów. Dla CMOS istnieją cztery główne źródła szumów. Są to: przeplot, odbicia, ripple na Vdd oraz odbicia napięcia zasilania i masy w obudowach układów scalonych. Po obliczeniu ilości szumów z ostatnich trzech, odejmuje się to od marginesu szumów rodziny logicznej, aby uzyskać ilość przeplotu, która może być tolerowana.

Analityczna metoda określania przeplotu

Istnieją narzędzia analityczne, które pozwalają obliczyć przeplot, który będzie wynikiem proponowanej geometrii między dwoma liniami transmisyjnymi. Rysunek 6 to zrzut ekranu w Hyperlynx^® przedstawiający parę linii transmisyjnych, które zostaną użyte do obliczenia przeplotu dla proponowanej geometrii. Są to dwa obwody CMOS, z których górny jest aktywny, a dolny ustawiony na logikę 0.

Rysunek 6. Schemat obwodu użyty do obliczenia przeplotu

Rysunek 7 przedstawia ekran, na którym określono odległość między ścieżkami oraz szerokość i wysokość ścieżki nad płaszczyzną. Należy zauważyć, że szerokość ścieżki nie ma wpływu na przeplot, tylko odległość krawędź do krawędzi i wysokość nad najbliższą płaszczyzną są istotne, gdy linie transmisyjne zostały poprowadzone poza „krytyczną długość”.

Rysunek 7. Ekran pokazujący geometrię sparowanej pary na rysunku 6

Rysunek 8 to zestaw przebiegów, które powstają, gdy sterowana linia zmienia stan z logiki 1 na logikę 0. Czerwony przebieg to sygnał na sterowniku na sterowanej linii, a fioletowy przebieg to sygnał na odbiorniku na sterowanej linii. Płaska żółta linia to wyjście linii ofiary, która znajduje się w stanie logiki 0, a przebieg z wypukłością to koniec odbiornika linii ofiary.

Rysunek 8. Przebiegi, gdy sterowana linia na rysunku 6 zmienia stan

Szum na linii ofiary pojawia się na końcu "przód" lub odbiornika linii ofiary i nie wydaje się być szumem wstecznym, który powinien pojawiać się na końcu "tył" linii ofiary. Powodem tego jest to, że napędzany koniec linii ofiary to logika 0, która jest zwarcie. W sekcji o liniach transmisyjnych zauważono, że zwarcia nie absorbują energii. Zamiast tego odbijają ją jako odwróconą formę falową, jak pokazano na Rysunku 8. Druga obserwacja w sekcji linii transmisyjnych jest taka, że obwody otwarte również nie absorbują energii, ale odbijają ją z powrotem podwojoną, jak to ma miejsce na Rysunku 8.

Amplituda przesłuchu na Rysunku 8 wynosi około 1 wolta na linii sygnałowej 3,3 wolta. To jest wyraźnie za dużo. Rozwiązaniem jest powrót do ekranu, gdzie ustawia się wysokość i odstępy, i dostosowanie jednego lub obu, aż do uzyskania przesłuchu, który mieści się w oknie projektowym. Po przeprowadzeniu tej analizy, wynikające z niej zasady dotyczące przesłuchu będą precyzyjne, a nie wynikiem jakiejś arbitralnej reguły.

ODNIESIENIA DO PROJEKTOWANIA WYSOKICH PRĘDKOŚCI

• „Zakręty pod kątem 90 stopni, Ostatni Zwrot” Doug Brooks, et al., Printed Circuit Design, styczeń 1998.
• INTEGRACJA SYGNAŁU - UPROSZCZONA, Eric Bogatin, Prentice Hall, 2004.
• "Refleksje i Przesłuchy w Połączeniach Obwodów Logicznych," John A DeFalco, IEEE Spectrum, lipiec 1970.
• "Za pierwszym razem, praktyczny podręcznik projektowania PCB i systemów wysokiej prędkości, Tom 1 & 2," Zasio i Ritchey, Speeding Edge 2003 i 2006.

Altium to wiodąca platforma oprogramowania do projektowania PCB, która daje Ci wszystkie narzędzia potrzebne do zaprojektowania najlepszych płytek obwodów drukowanych. Kliknij w darmowy okres próbny, aby samemu wypróbować, lub obejrzyj odcinek podcastu OnTrack z gościem Lee Ritchey poniżej.

Zarejestruj się i wypróbuj Altium 19 dzisiaj.