Анализ, уменьшение и устранение перекрестных помех в дизайне печатных плат

Независимо от того, разрабатываете ли вы цифровую плату с большим количеством дорожек или РЧ-плату, работающую на очень высоких частотах, любое электронное устройство с распространяющимися сигналами будет испытывать перекрестные помехи. Вопрос лишь в том, насколько эти перекрестные помехи критичны, чтобы система перестала функционировать, или же уровень перекрестных помех находится в каких-то приемлемых пределах. Универсального уровня "приемлемых" перекрестных помех не существует, но если вы обнаружите с помощью симуляции и измерений, что у вас есть проблема, существуют очень простые методы, которые можно использовать для уменьшения перекрестных помех.

В этой статье мы хотим рассмотреть некоторые надежные способы уменьшения перекрестных помех в ваших высокоскоростных конструкциях. Я очертил три метода, которые просты и всегда дают положительные результаты. Есть еще один метод, который может принести улучшения, но он требует дополнительного анализа или симуляции, чтобы убедиться, что вы не создаете новую проблему с целостностью сигнала.

Что такое перекрестные помехи в дизайне печатных плат?

Очень просто определенное, перекрестные помехи - это явление, при котором интерконнект, передающий сигнал (агрессор), индуктивно или емкостно передает этот сигнал в соседний интерконнект (жертва). Это двунаправленный процесс: жертва и агрессор могут быть поменяны местами, и при прочих равных условиях можно ожидать, что перекрестные помехи будут происходить в обоих направлениях. Перекрестные помехи возникают только во время изменения сигнала, то есть во время скорости перехода цифрового сигнала; для аналоговых/РЧ сигналов на соседних интерконнектах может возникнуть фазово сдвинутая копия, поскольку сигнал на агрессоре всегда изменяется. Чисто постоянные токи не вызывают перекрестных помех, но они могут быть жертвами перекрестных помех.

Простая графика, иллюстрирующая перекрестные помехи и уравнения, определяющие силу сигнала перекрестных помех на жертве интерконнекта, показаны ниже. Перекрестные помехи, показанные здесь, подразделяются на два типа:

• Перекрестные помехи на ближнем конце (NEXT, красная кривая), иногда называемые фоновыми перекрестными помехами

• Перекрестные помехи на дальнем конце (FEXT, зеленая кривая), иногда называемые прямыми перекрестными помехами

Оба типа перекрестных помех определяются взаимной индуктивностью (Lm) и взаимной емкостью (Cm) между двумя дорожками. Вместе эти два эффекта определяют перекрестные помехи, наблюдаемые со стороны драйвера и приемника пострадавшей линии.

Если вы интересуетесь математикой, управляющей перекрестными помехами, то заметите, что FEXT может быть устранен в идеальных случаях, что указывается отрицательным знаком в уравнении FEXT. Идеальная, совершенно симметричная полосковая линия имела бы нулевой FEXT, хотя на практике перекрестные помехи никогда не равны нулю.

Теперь, когда мы рассмотрели это базовое введение, давайте посмотрим на самые простые методы снижения перекрестных помех.

Методы снижения перекрестных помех, которые вы можете использовать в Altium Designer

Если вы разрабатываете печатную плату, которая использует цифровые сигналы, и эти сигналы имеют достаточно быструю скорость нарастания для создания заметных перекрестных помех, то вы всегда должны прокладывать эти сигналы над земляной плоскостью. Это означает, что как минимум, вы должны использовать стек SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR для цифровых конструкций, особенно когда время нарастания сигнала сокращается до диапазона нс или ниже.

Прокладка трасс над земляным слоем в такой конфигурации обеспечивает определенное сопротивление, которое может быть установлено в 50 Ом по мере необходимости, таким образом, она может поддерживать стандартизированные однопроводные и дифференциальные интерфейсы с заданными требованиями к сопротивлению. Это устанавливает ширину трассы в определенное значение, которое затем может быть использовано для установки значения расстояния между трассами.

Увеличение расстояния между трассами для уменьшения перекрестных помех

Самый простой и эффективный способ уменьшить силу перекрестных помех, принимаемых на пострадавшей трассе, - увеличить расстояние между трассами. Когда трассы расположены ближе друг к другу, электрические и магнитные поля вокруг агрессивной трассы будут сильнее, следовательно, любые перекрестные помехи на пострадавшей трассе будут сильнее. Поэтому увеличение расстояния определенно создаст уменьшение перекрестных помех между линиями.

Существует базовое правило проектирования печатных плат, известное как правило "3W", которое гласит:

• Расстояние между двумя трассами должно быть как минимум в 3 раза больше ширины трасс.

Цель этого правила - предоставить очень консервативное значение, которое, как правило, обеспечивает уменьшение перекрестных помех в пределах допустимых уровней шума, применимых к большинству семейств логики. Это правило подходит для высокоскоростных трасс над земляной плоскостью, но с более толстым диэлектрическим слоем, который использовался в традиционных конструкциях до появления HDI. Ниже я объясню, почему это важно.

Чтобы реализовать это в Altium Designer, вы можете сделать следующее:

1. Создайте класс сетей, содержащий высокоскоростные сети, которые могут быть агрессорами перекрестных помех.

2. Примените правило ширины к трассам в вашем классе сетей, установив желаемую ширину. Если эти трассы контролируются по импедансу, примените профиль импеданса из менеджера стека слоев.

3. Установите правило расстояния между трассами в разделе "Очистка" редактора Правил и ограничений печатной платы. Примените большее расстояние только к вашему классу сетей.

Это обеспечит установку правил расстояния специально для высокоскоростных трасс, которые вы хотите разделить, не применяя то же правило ко всем остальным трассам.

Что насчет расстояния между дифференциальными парами? Это одна из областей, где использование плотного соединения является полезным, поскольку это обеспечивает максимальный прием перекрестных помех в дифференциальную пару как общемодового шума. Однако, как я обсуждаю ниже, преимуществ у слабого соединения по сравнению с плотным больше, и могут быть лучшие стратегии, когда речь идет о дифференциальных парах.

Минимизируйте длину параллельных трасс для уменьшения перекрестных помех

Перекрестные помехи между двумя трассами зависят от скалярного произведения ортогональных векторов между двумя связанными трассами. Проще говоря, это означает, что перекрестные помехи между двумя трассами максимизируются, когда две трассы идут параллельно друг другу. Поэтому одна из простых стратегий уменьшения перекрестных помех - минимизировать длину, на которой две трассы идут параллельно друг другу.

Если вы выделили каналы маршрутизации в одном направлении, то это сказать проще, чем сделать. Однако это основа для ортогональной маршрутизации без заземляющей плоскости, где трассы на двух разных слоях идут перпендикулярно друг другу. Это работает до тех пор, пока вы не достигнете очень быстрых скоростей нарастания сигнала; подробнее об ортогональной маршрутизации читайте в этой статье.

Если вы хотите обеспечить соблюдение этой практики в ваших инструментах трассировки, вы можете использовать правило ParallelSegment в редакторе правил и ограничений печатной платы, как показано ниже. Обратите внимание, что правило ParallelSegment также применяет минимальный зазор, так же, как вы бы сделали с правилом Clearance, показанным выше.

Используйте меньшее расстояние до земли для уменьшения перекрестных помех

Упомянутое выше правило 3W является подходящим ориентиром для трасс, проложенных на более толстых диэлектрических слоях. Однако существует альтернативный метод, который может быть использован для снижения перекрестных помех: приблизьте землю к трассам. Если вы проводите трассировку на более тонких слоях, также возможно использовать правило меньше, чем 3W, и при этом наблюдать ту же величину перекрестных помех, которую вы бы увидели на более толстых слоях при трассировке с правилом 3W.

В качестве примера рассмотрим результаты симуляции ниже. Эти кривые показывают результаты перекрестных помех при использовании 4-портовых S-параметров для полосковых линий в стеке, построенном с использованием ламинатов Megtron 7. Верхний график показывает, что происходит в типичной ситуации с тонкими линиями на слое в 4 мил, где расстояние и ширина линии между нашими полосковыми линиями равны. Если мы просто приблизим земляные плоскости, уменьшив толщину диэлектрика на 50%, а затем изменим размер дорожек, чтобы достичь той же цели по импедансу, мы видим, что получаем значительное снижение номинальных перекрестных помех без необходимости перераспределения.

В этом примере изменение размера дорожек может быть выполнено путем перегенерации профиля импеданса в менеджере стека слоев в Altium Designer, за которым следует перегенерация правил проектирования для этих сетей. Процесс занимает пару минут и не требует перераспределения. Мы также можем заменить на диэлектрик с другой диэлектрической постоянной для дальнейшего улучшения.

Если ваш дизайн уже завершен и вы готовитесь к изготовлению, замена диэлектрического слоя является простым изменением материалов, которое может быть реализовано вашим производителем. Если вы все еще находитесь в середине проектирования, вы можете изменить стек в файле компоновки вашей печатной платы, а затем изменить ширину дорожек для дорожек с контролируемым импедансом; переукладка не потребуется. Оба варианта предоставляют значительные преимущества для уменьшения перекрестных помех.

Стоит ли использовать медное заливку и защитные дорожки для уменьшения перекрестных помех?

Наконец, один из методов, который дизайнеры могут часто пытаться использовать, это использование медной заливки между двумя дорожками или прокладка защитной дорожки между двумя сигнальными дорожками. Я не советую полагаться на это как на метод уменьшения перекрестных помех, так же как и многие другие эксперты. Существует несколько причин для этого:

1. Чтобы поместить защитную дорожку или медную заливку между двумя связанными дорожками, вам нужно раздвинуть их, обычно как минимум на 3W

2. Приближение земли к дорожкам может дать тот же эффект уменьшения перекрестных помех, который вы могли бы пытаться достичь, прокладывая защитную дорожку

3. Нет автоматизированного способа быстро проложить защитную дорожку, вам придется прокладывать ее и размещать ее заземление вручную с помощью переходных отверстий

4. Медное заливание по сути работает как защитный след и может быть размещено в автоматическом режиме, но использование сквозных переходов (стежков) может на самом деле увеличить перекрестные помехи, создавая открытую резонансную полость между двумя связанными следами; это та же причина, по которой вы получаете экстремальные потери мощности на некоторых сопланарных волноводах как показано здесь.

5. Использование медного заливания со стежковыми переходами требует некоторых расчетов или моделирования перед реализацией, чтобы все было выполнено правильно

Пункт №1 является самым важным: чтобы даже освободить место для значительного медного заливания или защитных следов, вам уже нужно предоставить достаточно места, чтобы достичь по крайней мере 3W расстояния. Это обеспечит значительную защиту от перекрестных помех, при условии наличия заземляющего слоя на следующем слое.

Поэтому, прежде чем использовать метод медного заливания и защитных следов, рассмотрите сначала другие вышеупомянутые пункты, так как они могут предоставить значительные улучшения, которые приведут ваши соединения в соответствие. Чтобы узнать об этом больше, посмотрите следующее видео.

В видео я показываю набор результатов симуляции от Эрика Богатина и Берта Симоновича, которые демонстрируют эффективность защитных дорожек в уменьшении перекрестных помех для однопроводных дорожек. Поскольку использование защитных дорожек продолжает возникать в ситуациях с высокоскоростными конструкциями, полезно изучить, как защитные дорожки влияют на перекрестные помехи с однопроводными дорожками 50 Ом, поскольку они обычно реализуются как стандарт в высокоскоростных шинах и радиочастотных соединениях (например, в SDRAM/DDR). В других случаях, как с SPI или PPI, нет спецификации импеданса, но очень длинные дорожки могут быть спроектированы на 50 Ом и иметь примененную терминацию.

Важный результат, который был обнаружен Богатиным и Симоновичем, заключается в том, что уровень перекрестных помех, найденных в симуляциях, зависел от того, были ли дорожки проложены как 50 Ом стриплайны или микрополосковые линии, а также от того, были ли дорожки замкнуты, разомкнуты или подключены к терминации 50 Ом на каждом конце. Для удобства я показываю их результаты во временной области ниже, которые показывают относительную эффективность или неэффективность защитных дорожек в обеих конфигурациях.

Результаты очень ясные: единственно эффективная конфигурация защитной дорожки находится в стриплайне с обоими концами, заземленными, в частности, для NEXT. Что касается FEXT, то, кажется, существует уменьшение перекрестных помех для заземленной защитной дорожки в стриплайне, но перекрестные помехи и так были уже очень низкими.

Показанные здесь результаты действительны для одиночных дорожек с сопротивлением 50 Ом, но те же результаты можно наблюдать и для дифференциальной пары, разделенной защитными дорожками. Разница заключается в том, что мы бы рассматривали дифференциальные перекрестные помехи, где дифференциальный сигнал может создавать как дифференциальный, так и общемодовый шум на пострадавшем соединении.

Чтобы прочитать полное исследование и узнать больше об этой проблеме с одиночными дорожками, прочтите следующую статью в журнале Signal Integrity Journal:

• Защитные дорожки: полюбить их или оставить?

Когда вы ищете лучший программный пакет для проектирования высокоскоростных печатных плат, используйте полный набор инструментов для проектирования в Altium Designer^®. Интегрированный движок проектных правил и Layer Stack Manager предоставляют вам все необходимое для создания печатной платы с низким уровнем перекрестных помех и контролируемым импедансом. Когда вы закончили проектирование и хотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365^™ упрощает совместную работу и обмен проектами.

Мы только коснулись поверхности возможностей Altium Designer на Altium 365. Начните вашу бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.