A Transferência de Ruído é Irritante em PCBs, Aprenda Como Conter o Crosstalk com o especialista Lee Ritchey

As palavras crosstalk e acoplamento são usadas para descrever a injeção de energia eletromagnética de uma linha de transmissão para outra que corre próxima. Em placas de circuito impresso, o crosstalk geralmente envolve duas trilhas correndo lado a lado na mesma camada ou uma sobre a outra em camadas adjacentes. Essa energia acoplada aparece como ruído na trilha vítima e pode causar malfuncionamentos se a amplitude for muito grande. Aprenda como esse ruído é transferido de trilha para trilha e métodos para prevenir que isso aconteça.

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CROSSTALK OU ACOPLAMENTO

As palavras crosstalk e acoplamento são usadas para descrever a injeção de energia eletromagnética de uma linha de transmissão para outra que corre próxima. Em placas de circuito impresso, o crosstalk geralmente envolve duas trilhas correndo lado a lado na mesma camada ou uma sobre a outra em camadas adjacentes. Essa energia acoplada aparece como ruído na trilha vítima e pode causar malfuncionamentos se a amplitude for muito grande. Esta seção descreverá como esse ruído é transferido de trilha para trilha e métodos para prevenir que isso aconteça.

A Figura 1 é um diagrama mostrando duas linhas de transmissão viajando lado a lado. A linha de transmissão superior é mostrada em comutação e a inferior está inativa. Observe que existem duas formas de onda ao lado da linha vítima. Uma está no final das linhas onde o driver está na linha acionada e a outra está na extremidade oposta ou extremidade distante. Note que as formas das ondas são diferentes. A forma de onda na extremidade do driver da linha vítima é geralmente chamada de interferência por retrocesso ou “interferência por proximidade”, “NEXT” e a forma de onda na extremidade distante da linha vítima é “interferência por avanço ou “interferência por distância”, “FEXT”.

A aparência exata dessas duas formas de onda depende do que está nas quatro extremidades das linhas de transmissão. As possibilidades são: um curto-circuito, uma terminação ou um circuito aberto. A Referência 1 no final desta unidade descreve em detalhes como essas terminações afetam os sinais vistos na linha afetada. Deste artigo, observa-se que o pior caso é quando as extremidades distantes de ambas as linhas são circuitos abertos e a extremidade próxima da linha afetada é um curto-circuito. Isso acontece ser como a maioria dos circuitos CMOS opera. Sob essas condições, as formas de onda vistas na linha afetada serão muito semelhantes às mostradas na Figura 1.

Nesta discussão, a análise será feita usando este conjunto de condições de "pior caso".

Figura 1 Duas Linhas de Transmissão Lado a Lado Interagindo

A Figura 2 mostra como as duas formas de diafonia (direta e reversa) variam conforme o comprimento que as duas linhas de transmissão viajando lado a lado se tornam mais longas. Note que a diafonia direta aumenta mais lentamente do que a diafonia reversa à medida que o comprimento acoplado fica mais longo. Além disso, note que chega um ponto em que a diafonia reversa não aumenta com os aumentos no comprimento acoplado. Isso é chamado de "comprimento crítico" ou o comprimento no qual a diafonia reversa não continua a aumentar ou saturar.

O crosstalk direto aumenta muito mais lentamente do que o crosstalk reverso e não se torna um fator em circuitos impressos, pois o comprimento da corrida paralela é muito curto. Esta forma de crosstalk era um grande problema para as companhias telefônicas quando as linhas tinham muitos metros de comprimento. Esta seção se concentrará em maneiras de controlar o crosstalk reverso.

Figura 2. Crosstalk Direto e Reverso como Função do Comprimento Acoplado

Métodos para Controlar o Crosstalk Reverso com Roteamento Lado a Lado

Quando as linhas de transmissão correm lado a lado, o mecanismo de acoplamento é dominado pelo componente magnético do campo eletromagnético. No roteamento superior e inferior, o campo elétrico dominará.

Vários métodos foram propostos para controlar o crosstalk reverso. Entre eles estão:

• Restringir o comprimento que as linhas de transmissão correm lado a lado
• Inserir “trilhas de proteção” entre as duas linhas de transmissão
• Linhas de vias de “terra” em ambos os lados de um sinal sensível

Restringir Comprimento da Corrida Paralela

O método mais proposto para controlar o crosstalk é limitar o comprimento em que duas linhas de transmissão correm lado a lado. Existem até rotinas em vários roteadores de PCB que permitem inserir um número de comprimento e permitir que a ferramenta de roteamento evite rotas maiores do que essa quantidade. Para que este método funcione, este comprimento deve ser menor do que o comprimento crítico mostrado na Figura 2. Se o comprimento de uma corrida paralela atingir o comprimento crítico, pode-se ver que continuar a correr paralelamente além desse ponto não resulta em aumento do crosstalk. A Figura 3 é um gráfico do comprimento crítico como função do tempo de subida do sinal. Existem três curvas no gráfico correspondendo a três diferentes constantes dielétricas (er). Dois corresponde ao Teflon, três corresponde à maioria dos cabos de fita e quatro corresponde à maioria dos dielétricos encontrados em PCBs.

Como pode ser visto, à medida que os tempos de subida se tornam mais rápidos, o comprimento crítico se torna mais curto. Com um tempo de subida de 1,4 nSec, o comprimento crítico é de cerca de 6 polegadas ou 15 cm. Se o roteador fosse configurado para permitir três polegadas de execução paralela, seria possível fazer a maioria das conexões na maioria dos projetos sem esgotar o espaço da placa ou as camadas. Infelizmente, muito poucos circuitos integrados modernos são tão lentos. Atualmente, tempos de subida tão rápidos quanto 100 picosegundos são muito comuns. Olhando para a Figura 3, pode-se ver que o comprimento crítico a 100 picosegundos é de menos de meia polegada ou cerca de 1,5 cm. Com estes tempos de subida, o controle de comprimento não funcionará. Isso é bem conhecido na indústria de supercomputadores há muito tempo e não tem sido o método usado para controlar o crosstalk reverso.

Figura 3. Comprimento Crítico como Função do Tempo de Subida do Sinal

Se o controle de comprimento para limitar o crosstalk não funciona, qual método funciona?

Referindo-se novamente à Figura 2, pode-se observar que, uma vez atingido o comprimento crítico, continuar a rotear em paralelo não resulta em crosstalk adicional. Neste ponto, existem apenas dois parâmetros que afetam a quantidade de crosstalk. Estes são a altura até o plano mais próximo e a separação de borda a borda. A Figura 4 é um gráfico mostrando como o crosstalk varia com a altura acima do plano mais próximo e a separação de borda a borda, uma vez que o comprimento crítico foi atingido.

Figura 4. Crosstalk Reverso como Função da Altura Acima do Plano e Separação, Stripline

A Figura 4 tem o título “Stripline Descentrado”. Isso significa que as linhas de transmissão estão entre dois planos, mas não estão centradas entre os dois planos. Isso é típico de PCBs que têm duas camadas de sinal entre um par de planos. Note que o crosstalk diminui substancialmente à medida que a altura acima do plano mais próximo é reduzida. Ele também diminui ainda mais rapidamente à medida que os traços são afastados um do outro. A Figura 5 é um gráfico mostrando esses valores para micro-stripline, camadas de sinal que estão na parte externa de um PCB.

Figura 5. Crosstalk Reverso como Função da Altura Acima do Plano e Separação, Micro-stripline

Trilhas de Proteção

Muitas regras práticas recomendam a inserção de "trilhas de guarda" entre linhas de transmissão como um método para controlar o crosstalk. Se isso funciona, por que funciona? E se funciona, existe algum ponto negativo em usar esse método? A "prática padrão" em muitas empresas é fazer o roteamento com linhas de 5 mil e espaços de 5 mils. Referindo-se à Figura 4, se uma PCB fosse roteada seguindo essas regras e a altura acima do plano mais próximo fosse de 5 mils (também) o crosstalk seria de cerca de 8%. Se isso fosse determinado como excessivo e uma trilha de guarda fosse adicionada, o que isso envolveria? Para criar espaço para a trilha de guarda, um espaço de 5 mil e uma trilha de 5 mil precisam ser adicionados. Agora, a separação de borda a borda é de 15 mils em vez de 5 mils e o crosstalk é menor que 1%. Não foi a trilha de guarda que causou essa diminuição. Foi a separação.

Desvantagens de adicionar trilhas de guarda incluem: Isso torna o roteamento muito mais difícil. A trilha de guarda não é uma barreira. É um circuito ressonante que pode aumentar o crosstalk ao criar um filtro passa-banda.

O método adequado para controlar o crosstalk em roteamentos lado a lado é apenas a separação.

Linhas de Vias de "Terra"

Um método proposto por algumas notas de aplicação e gurus é colocar vias de "terra" em ambos os lados de um traço "crítico" para proteger uma linha de transmissão sensível. Esse tipo de regra não é acompanhado por nenhuma prova de que é válida. Também é acompanhada de respostas vagas quando perguntado quantas vias usar e em que espaçamento. Se fosse útil e necessário, nenhum dos servidores e roteadores que projetamos todos os dias seria possível, pois não haveria espaço suficiente para todas essas vias. Esta é uma regra falsa e não deve ser usada. Uma observação predominante é que regras de design válidas têm provas diretas. Esta não tem.

Métodos para Controlar o Crosstalk Reverso com Roteamento Superior-Inferior

Quando o roteamento superior e inferior é feito, onde uma linha de transmissão está em uma camada e a outra está na camada acima ou abaixo, o acoplamento é dominado pelo campo elétrico, muito como se um pequeno capacitor tivesse sido conectado entre as duas linhas de transmissão. As formas de onda acopladas têm essa aparência. Com as bordas rápidas da lógica moderna, a quantidade de energia acoplada cresce tão rapidamente com a sobreposição entre dois traços que excede os limites permitidos com percursos muito curtos.

A única maneira segura de controlar o crosstalk com camadas de sinal adjacentes é roteando trilhas em uma camada na direção X e na outra camada na direção Y. A maioria dos sistemas de layout de PCB tem a capacidade de especificar uma camada como X e a outra como Y para evitar esse tipo de sobreposição. Infelizmente, muitos deles violarão essa restrição de vez em quando, então é necessário verificar novamente após o roteamento para garantir que essa regra tenha sido seguida.

Calculando o Crosstalk

Existem muitas regras práticas circulando sobre como espaçar trilhas para controlar o crosstalk. Entre estas estão: três vezes a altura acima do plano mais próximo; duas vezes a largura da trilha e quatro vezes a largura da trilha. Isso soa um pouco arbitrário e é. Para determinar qual deve ser o espaçamento, a primeira pergunta que precisa ser respondida é quanto ruído de crosstalk é aceitável? Isso depende de várias coisas, incluindo se a trilha vítima está correndo ao lado de outra trilha com uma amplitude muito maior ou se está correndo ao lado de outra trilha com o mesmo sinal de amplitude.

Determinando Quanto Ruído é Aceitável

Na referência 2, no final desta seção, há um capítulo sobre a criação de regras de design usando análise de margem de ruído. Nesta seção, mostra-se que o orçamento de ruído de uma família lógica é consumido por várias fontes de ruído. Para CMOS, existem quatro fontes primárias de ruído. São elas: diafonia, reflexões, ondulações em Vdd e saltos de terra nos pacotes de IC. Uma vez calculada a quantidade de ruído das últimas três, isso é subtraído da margem de ruído da família lógica para chegar à quantidade de diafonia que pode ser tolerada.

Um Método Analítico para Determinar a Diafonia

Existem ferramentas analíticas que permitem calcular a diafonia que resultará de uma geometria proposta entre duas linhas de transmissão. A Figura 6 é uma captura de tela no Hyperlynx^® de um par de linhas de transmissão que será usado para calcular a diafonia para uma geometria proposta. São dois circuitos CMOS com o superior ativo e o inferior configurado como um lógico 0.

Figura 6. Diagrama de Circuito usado para Calcular a Diafonia

A Figura 7 é uma tela mostrando como a separação entre trilhas é especificada, bem como a largura e altura da trilha acima do plano. Deve-se notar que a largura da trilha não tem influência sobre o acoplamento capacitivo, apenas a separação de borda a borda e a altura acima do plano mais próximo estão envolvidas uma vez que as linhas de transmissão tenham sido roteadas além do “comprimento crítico”.

Figura 7. Tela Mostrando Geometria do Par Acoplado na Figura 6

A Figura 8 é um conjunto de formas de onda que resultam quando a linha acionada muda de um lógico 1 para um lógico 0. A forma de onda vermelha é o sinal no driver na linha acionada e a forma de onda roxa é o sinal no receptor na linha acionada. A linha amarela plana é a saída da linha vítima que está em um lógico 0 e a forma de onda com um salto nela é o fim do receptor da linha vítima.

Figura 8. Formas de Onda Quando a Linha Acionada na Figura 6 Muda

O ruído na linha vítima aparece na extremidade "para frente" ou receptora da linha vítima e não parece ser crosstalk reverso, que deveria aparecer na extremidade "para trás" da linha vítima. A razão para isso é que a extremidade acionada da linha vítima é um lógico 0, que é um curto-circuito. Na seção sobre linhas de transmissão, observou-se que curtos-circuitos não absorvem energia. Em vez disso, eles a refletem como uma forma de onda invertida, como foi mostrado na Figura 8. A segunda observação na seção de linhas de transmissão é que circuitos abertos também não absorvem a energia, mas a refletem de volta dobrada, como é o caso na Figura 8.

A amplitude do crosstalk na Figura 8 é de cerca de 1 volt em uma linha de sinal de 3.3 volts. Isso é claramente muito grande. A solução é retornar à tela onde a altura e o espaçamento são definidos e ajustar um ou ambos até que o crosstalk resultante esteja dentro da janela de design. Uma vez que esta análise tenha sido feita, as regras de crosstalk resultantes serão precisas e não o resultado de alguma regra empírica arbitrária.

REFERÊNCIAS DE DESIGN DE ALTA VELOCIDADE

• “90 Degree Corners, The Final Turn” Doug Brooks, etal, Printed Circuit Design, Janeiro de 1998.
• INTEGRIDADE DE SINAL - SIMPLIFICADO, Eric Bogatin, Prentice Hall, 2004.
• “Reflexões e Diafonia em Conexões de Circuitos Lógicos,” John A DeFalco, IEEE Spectrum, Julho de 1970.
• “Certo na Primeira Vez, um Manual Prático sobre Design de PCB e Sistema de Alta Velocidade, Volumes 1 & 2,” Zasio e Ritchey, Speeding Edge 2003 e 2006.

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