É Ruído de Comutação Simultânea ou Diafonia?

Com a multiplicidade de problemas de integridade de sinal que podem surgir em PCBs reais, como pode o designer astuto distingui-los todos? Alguns problemas são mais claros do que outros, com medidas específicas de integridade de sinal sendo desenvolvidas para testar e medir aspectos particulares do comportamento do sinal.

Uma questão que surge tem a ver com o aparecimento de uma flutuação na tensão de saída em um banco de I/Os, conhecida como ruído de comutação simultânea ou, mais popularmente, como salto de terra. Se você examinar a tensão induzida quando múltiplas saídas comutam simultaneamente, esse tipo de flutuação potencial parece muito com crosstalk indutivo de retorno (ou seja, próximo ao final). O fato é que vários problemas de integridade de sinal podem estar presentes em um único interconexão simultaneamente. Então, como você pode distinguir entre os dois corretamente e determinar se seu layout precisa de uma mudança? Vamos decompor os dois efeitos e determinar qual está tendo um maior impacto na integridade do sinal.

O que é Ruído de Comutação Simultânea?

Eu vi que projetistas de CI geralmente usam "ruído de comutação simultânea" enquanto projetistas de PCB tendem a usar mais frequentemente "ressalto de terra" para descrever o mesmo fenômeno. Ruído de comutação simultânea refere-se a uma mudança aparente no potencial do plano de terra próximo a um CI comutador. Na realidade, o potencial do plano de terra no PCB não mudou, mas sim um potencial se desenvolveu entre o plano de terra do PCB e o plano de terra do encapsulamento do CI.

Este é um efeito parasita que surge devido à indutância parasita pin-package. Em um CI ideal, o fio de ligação, a estrutura de condução e qualquer cobre conectando o pino de terra ao plano de terra do PCB são condutores perfeitos com indutância zero, mas PCBs reais não se comportam dessa maneira. Quando o CI comuta, a indutância parasita nesses elementos (todos os quais podem ser considerados em série) desenvolve um potencial que se opõe à corrente de pressa entre o plano de terra do PCB e o circuito do buffer de I/O no semicondutor.

O modelo de circuito típico usado para entender esses parasitas é mostrado abaixo.

• Saiba mais sobre ressalto de terra neste artigo

Porque o plano de terra é a referência para o pino de saída e o die, deve haver uma tensão não nula entre o plano de terra do die do driver e o plano de terra da PCB, enquanto o receptor é referenciado ao plano de terra da PCB. Dê uma olhada neste artigo para mais informações sobre oscilação de terra.

Se você observar um traço de osciloscópio rastreando a saída de um I/O, ele pode mostrar oscilação devido à corrente sendo drenada ao longo do caminho acima. Quando múltiplos I/Os comutam simultaneamente, eles estão efetivamente retirando da mesma fonte de alimentação de I/O em paralelo. Efetivamente, as forças eletromotrizes (FEMs) geradas por múltiplos I/Os se superpõem em um I/O vítima devido ao potencial de terra elevado medido próximo à vítima. O resultado é tipicamente uma forma de onda de oscilação subamortecida.

Como essa oscilação pode ser reduzida? As razões para isso ocorrer são as seguintes:

• Capacitância de desacoplamento e/ou bypass insuficiente na fonte de alimentação de I/O
• Amortecimento insuficiente ao longo do caminho de corrente ao longo do buffer de I/O
• Indutância excessiva ao longo do traço GND e caminho de retorno GND
• Indutância excessiva ao longo do caminho da capacitância de bypass

Normalmente, reduzimos a indutância usando um plano GND (reduzindo a indutância de espalhamento) e fornecendo um caminho direto de rastreamento para qualquer conexão GND. Em seguida, garantimos que a conexão com o capacitor de desacoplamento também seja curta, para que não haja indutância ao longo desse caminho.

O uso de um resistor em série para amortecimento normalmente não é utilizado em um canal de alta velocidade, pois a taxa de transição se torna muito lenta e muita energia é perdida no resistor se o objetivo for um amortecimento crítico na transição. No entanto, pode ser usado em barramentos de taxa de baud mais lenta com taxa de transição rápida, como SPI, porque esses barramentos não precisam da taxa de transição rápida e não têm uma especificação de impedância.

Comparando com Crosstalk Reverso

Se você medir a saída de um componente mal desacoplado, a flutuação de tensão vista na saída se assemelha a um sinal que parece um pico de tensão/corrente devido ao NEXT indutivo. O problema em distinguir os dois está relacionado aos parasitas:

• Planos de terra reais e caminhos de retorno de ICs têm indutância e resistência mútuas parasitas. Em outras palavras, eles podem transmitir crosstalk entre si, assim como um par de trilhas de sinal.
• Se um CI não for desacoplado do plano de terra, a tensão produzida pelo NEXT e pelo salto de terra pode ser semelhante, já que as indutâncias parasitas tendem a ser semelhantes em magnitude e polaridade.

O segundo ponto que mencionei é a razão pela qual os capacitores de desvio são usados perto de CIs com alta contagem de pinos de saída/tempos de subida rápidos/forte demanda de corrente. Assim como com capacitores de desacoplamento em PDNs, um capacitor de desvio usado desta forma não desacopla ou desvia nada. Em vez disso, ele apenas fornece um reservatório de carga (e tensão) que compensa o salto de terra ou quaisquer outras flutuações de tensão vistas entre a saída e o terra.

Aqui, mostrei uma resposta superamortecida no NEXT e FEXT, mas qualquer um desses sinais pode exibir oscilação se a auto-indutância parasita for alta. Embora a forma de onda do salto de terra ocorra em um circuito RL equivalente, ela também pode exibir oscilação devido a capacitâncias dispersas; isso geralmente ocorre com componentes CMOS. Além disso, o amortecimento experimentado por esses sinais dependerá da impedância de carga. Como esses sinais podem ser bastante dramáticos, eles podem causar comutação não intencional no receptor se a margem de ruído for pequena.

Como Distinguir Ruído de Comutação Simultânea e NEXT

Isso pode ser uma tarefa difícil, especialmente quando se trabalha com uma placa protótipo que apresenta alguns problemas de sinal. A chave é tentar separar os efeitos do crosstalk e do ruído de comutação simultânea. A configuração padrão para medir o ground bounce é conectar um condutor isolado (um cabo coaxial é ideal) de um componente de carga diretamente a um medidor, que é mantido no mesmo potencial de terra que o driver e o receptor. Mantenha a saída de condução neste pino em BAIXO, e acione todas as outras saídas no driver. Isso fornece uma medição direta do ground bounce, mas essa configuração ainda tem um problema, pois o traço em BAIXO ainda é suscetível ao crosstalk.

Felizmente, existe uma maneira melhor de fazer isso. Howard Johnson recomenda fazer isso cortando o traço suspeito e conectando um cabo coaxial com impedância correspondente diretamente do driver e do receptor, e medir o sinal que entra no coaxial. O coaxial será blindado contra diafonia, permitindo que você meça flutuações de tensão devido apenas ao salto de terra neste condutor. Esta tensão medida será vista por todas as outras saídas de comutação, enquanto qualquer flutuação de tensão devido à diafonia variará em todos os traços. Note que, nesta configuração, a saída do driver conectada ao coaxial também deve ser mantida em BAIXO enquanto os demais I/Os são acionados.

Quando você medir alguma variação na saída de um CI e suspeitar que o salto de terra é excessivo, talvez a verificação mais fácil seja trocar seu capacitor de desacoplamento por um capacitor maior. O capacitor de desacoplamento não afetará o sinal de diafonia, mas afetará o sinal de salto de terra. Se você aumentar a capacitância de desacoplamento e a flutuação de tensão não mudar significativamente (ou não houver mudança alguma), você sabe que o salto de terra forte não é a fonte do problema.

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