Методы уменьшения дребезга земли для минимизации проблем с целостностью сигналов

В отличие от отца, который в свои школьные годы преуспевал в баскетбольной команде, я на тренировках едва справлялся с отскоком мяча. Не стоит и говорить, что я оставил спорт, даже не успев толком начать. Несмотря на то, что мои мечты стать профессионалом НБА развеялись, позже я обнаружил в себе страсть к единоборствам. Мне никогда не удавалось управляться с баскетбольным мячом, зато в единоборствах я мог, по крайней мере, подпрыгнуть сам, чтобы противостоять сопернику.

Но одно дело — не уметь укрощать скачущий мяч. А вот если не понимать, как работает «отскок от земли» или «дребезг земли» в электронике, то можно столкнуться с серьезными проблемами в схемах. Чтобы стать грамотным инженером по разводке печатных плат, необходимо знать о влиянии дребезга земли на схемы и целостность сигналов. Используя методы уменьшения дребезга земли, можно свести его к минимуму и обеспечить целостность сигналов печатной платы во всех своих конструкциях.

Что такое дребезг земли?

Чтобы понять, что такое дребезг земли, нужно разобраться в работе слип-транзистора и контактов земли, которые составляют основу интегральных схем (ИС). На рисунке ниже показана схема КМОП-буфера, который служит типичным входом-выходом в таких микросхемах, как микроконтроллеры и оперативная память (ОЗУ).

Шум дребезга земли на печатной плате сложно измерить, а влияние, которое он оказывает на управление затвором и целостность сигнала, связано с импедансом дорожки и цепей питания печатной платы. В большинстве высокоскоростных конструкций выходной контакт схемы драйвера обычно подключается к нагрузке с некоторой входной емкостью. Когда на выходной контакт подается логический уровень «1», паразитная емкость нагрузки полностью заряжается до VCC. При переходе выходной буферной схемы в состояние логического «0» емкостная нагрузка разряжается, создавая обратный бросок тока в драйвер. Этот резкий бросок тока проходит через контакт «земля» драйвера.

В идеальной ситуации на контакте земли корпуса ИС и шине земли платы должно быть одинаковое напряжение. Однако на практике между землей кристалла и землей платы существует некоторая паразитная индуктивность, обусловленная наличием соединительной проволоки, монтажной рамки и паразитной индуктивности в цепи питания. Суммарную индуктивность набора этих элементов можно представить в виде последовательно соединенных индуктивностей, как показано на приведенной выше схеме.

По мере протекания тока через индуктивность соединительной проволоки/монтажной рамки/цепи питания между землей кристалла и землей платы формируется обратная ЭДС. Это приводит к тому, что в течение короткого промежутка времени на земле кристалла и земле платы возникают напряжения разного уровня, что вызывает шум дребезга земли. Такое накопленное напряжение затем гасится за счет постоянного сопротивления этих элементов и паразитных явлений в корпусе/кристалле микросхемы. Чтобы лучше понять, как именно это влияет на поведение сигнала, нужно представить подобное сочетание паразитных явлений и дорожки как эквивалентный RLC-контур, обладающий определенным импедансом и резонансной частотой.

Влияние дребезга земли печатной платы на схемы и сигналы

Если дребезг земли в печатной плате минимален, то он не приводит к нарушениям заземления кристалла или поведения сигналов. Он все равно будет иметь место, но может быть настолько мал, что останется незамеченным. Однако при больших значениях ЭДС, возникающей при дребезге земли, особенно при одновременном переключении нескольких выходов, уровень напряжения на земле устройства повышается настолько, что может повлиять на другие группы контактов микросхемы.

Что касается дорожки, соединяющей управляющий компонент с емкостной нагрузкой, то ее индуктивность и емкость также влияют на то, как дребезг земли отражается на сигналах. Следует помнить, что все дорожки обладают некоторым импедансом, который обусловлен их паразитной емкостью и индуктивностью. Поскольку реальная дорожка обладает такими паразитными свойствами, они должны быть учтены в едином RLC-контуре, образованном дорожкой, индуктивностью контакта земли драйвера и емкостью нагрузки.

Смещение уровней на кристалле

Например, потенциал земли микроконтроллера, подверженного дребезгу земли, может быть смещен до такой степени, что напряжение между шиной питания и землей будет на 1,5 В выше, чем в отсутствие дребезга. Другими словами, разность потенциалов между шиной питания и землей кристалла будет на 1,5 В выше, чем потенциал, измеренный между шиной питания и землей платы. По-другому это можно сформулировать так: между землей кристалла и землей печатной платы кратковременно возникает потенциал 1,5 В (при измерении на контакте земли контроллера).

В этом примере подключенная к микроконтроллеру логическая ИС, работающая от напряжения 3,3 В, может интерпретировать сигнал логического «0» как «1», поскольку из-за смещенного потенциала земли устройства поступающий на нее логический сигнал «низкого» уровня имеет напряжение 1,5 В. Продолжая рассматривать этот пример, можно отметить, что устройство, испытывающее дребезг земли, может также неправильно воспринимать входные сигналы от других компонентов, поскольку уровень входного напряжения определяется по отношению к земле кристалла. Например, логический сигнал «высокого» уровня может быть неверно истолкован как «низкий», потому что напряжение на входном контакте составляет 1,8 В вместо 3,3 В из-за повышения уровня земли кристалла. Это ниже минимального логического высокого уровня с напряжением 2,31 В.

Эффект дребезга земли проявляется особенно сильно, когда на всех выходах одновременно подается низкий уровень (см. изображение выше). В этот момент разность напряжений между кристаллом и землей резко увеличивается. Кроме того, такое смещение уровня работает подобно быстро нарастающему сигналу в RLC-контуре, который в определенных условиях может перейти в режим переходных колебаний с недостаточным затуханием.

Колебания при смещении уровня

Смещение уровня земли кристалла не сохраняется до бесконечности, и в конце концов разность потенциалов между землей кристалла и землей платы снова возвращается к нулю. Поскольку дорожка и нагрузка обладают некоторой паразитной емкостью, такое смещение уровня может вызвать затухающие колебания, подобно тому, как это происходит в RLC-контуре. В зависимости от полного сопротивления токовой петли эти колебания могут демонстрировать различную скорость затухания. При возникновении колебаний на земле кристалла они будут накладываться на выходной сигнал, создавая переходные помехи в виде звона. На рисунке ниже показано такое переходное колебание с недостаточным затуханием, вызванное дребезгом земли.

В идеальной ситуации выходной импеданс драйвера равен нулю, а входной импеданс нагрузки — бесконечности, поэтому любой переходный процесс, возникающий в дорожке, будет незатухающим. На практике затухание не будет нулевым из-за проводимости драйвера по постоянному току и наличия импеданса в «низком» и «высоком» состояниях. Затухание рассчитывается как (R/2L), где R — полное сопротивление входной токовой петли, а L — сосредоточенная эквивалентная индуктивность цепи, по которой протекает входной ток.

Если индуктивность дорожки достаточно мала, постоянная затухания будет большой и любые колебания, связанные с дребезгом земли, будут быстро затухать. Если сосредоточенная индуктивность дорожки достаточно мала, а сосредоточенная емкость достаточно велика, то переходный процесс, вызванный дребезгом земли, может быть передемпфирован. Это одна из многих причин, по которым для каналов DDR выбирают чуть меньший импеданс дорожки (несимметричный импеданс 40 Ом), поскольку у них будет более низкая индуктивность. Емкостные нагрузки с большей входной емкостью создают более сильное затухание, что становится проблемой при конструировании высокоскоростных плат: у компонентов с более высокой скоростью переключения, как правило, меньше входная емкость и больше проблем с дребезгом земли.

Советы по уменьшению дребезга земли на печатных платах

Проще всего уменьшить влияние дребезга земли на печатной плате с помощью установки шунтирующего конденсатора в непосредственной близости от соответствующего компонента. С физической точки зрения шунтирующий конденсатор работает как батарея, компенсирующая изменение потенциала земли кристалла относительно шины питания. Кроме того, шунтирующий конденсатор принимает на себя часть тока от разряжающейся емкости нагрузки при переключении драйвера. Важно, чтобы шунтирующий конденсатор находился как можно ближе к контакту VCC компонента, чтобы минимизировать общую индуктивность трассы заземления. Целесообразно также размещать конденсатор на площадке, соединенной с плоскостью земли двумя переходными отверстиями, что позволит снизить индуктивность трассы до плоскости земли печатной платы.

Еще одним стандартным решением для драйверов с низким импедансом является установка последовательного нагрузочного резистора. Если дорожки достаточно длинны, чтобы работать как линии передачи, это может потребоваться в любом случае, чтобы обеспечить согласование импеданса на стороне источника, при условии, что согласование входа/выхода не применяется внутрисхемно; стандартные протоколы передачи сигналов (например, DDR) делают это в любом случае... Это повысит постоянную затухания выходного сигнала драйвера, что снизит время переключения сигнала и может перевести переходные колебания в режим выше критического затухания. Обычно это применяется только в тех случаях, когда выходной сигнал остается в рамках времени установки приемника (когда это применимо), например на адресной шине в микросхемах оперативной памяти.

Как правило, не следует заводить чувствительные к сбоям сигналы, такие как RESET, CHIP SELECT или SET, на одну логическую микросхему, подверженную влиянию дребезга земли. В целом на выходных контактах, расположенных ближе к контакту GND, наблюдаются меньшие смещения уровня и более слабые колебания, вызванные дребезгом земли.

При проектировании платы позаботьтесь об уменьшении дребезга земли

В конечном счете, установка шунтирующих конденсаторов и правильный выбор ширины дорожек достаточно эффективны для широкого спектра конструкций. Если все сделать правильно, то можно одновременно обеспечить согласование импеданса и целостность сигнала. Низкий импеданс цепи питания также уменьшает дребезг земли и предотвращает другие проблемы с целостностью питания, возникающие при проектировании высокоскоростных печатных плат. Чтобы свести к минимуму неконтролируемые перепады напряжения в ваших разработках и выявить другие потенциальные проблемы с рассеиваемой мощностью, воспользуйтесь Altium Designer для тщательного конструирования печатной платы.

Altium Designer на Altium 365 обеспечивает беспрецедентную интеграцию в сфере производства электроники, которая до сих пор была доступна лишь в сфере разработки программного обеспечения, позволяя разработчикам работать из дома и достигать наивысшего уровня эффективности.

Мы лишь поверхностно рассмотрели некоторые возможности Altium Designer на Altium 365. Вы можете зайти на страницу продукта, чтобы посмотреть более подробное описание функций, или посетить один из Вебинаров по запросу.