Это шум от одновременного переключения или перекрестные помехи?

С учетом множества проблем целостности сигнала, которые могут возникнуть в реальных печатных платах, как опытный конструктор может их все различить? Некоторые проблемы более очевидны, чем другие, и для тестирования и измерения конкретных аспектов поведения сигнала были разработаны специфические измерения целостности сигнала.

Один из вопросов, который возникает, связан с появлением колебаний выходного напряжения на группах ввода/вывода, известных как шум от одновременного переключения или, более популярно, как падение напряжения на земле. Если вы исследуете напряжение, индуцированное при одновременном переключении нескольких выходов, этот тип потенциальных колебаний очень похож на индуктивную обратную (т.е., ближнюю) перекрестную помеху. Факт в том, что на одном соединении одновременно могут присутствовать несколько проблем с целостностью сигнала. Так как же правильно различить их и определить, нужно ли изменить вашу компоновку? Давайте разберемся в двух эффектах и определим, какой из них оказывает большее влияние на целостность сигнала.

Что такое шум от одновременного переключения?

Я видел, что разработчики интегральных схем обычно используют термин «шум от одновременного переключения», в то время как разработчики печатных плат чаще употребляют термин «подпрыгивание земли» для описания того же явления. Шум от одновременного переключения относится к кажущемуся изменению потенциала земляной плоскости вблизи переключающейся интегральной схемы. На самом деле потенциал земляной плоскости на печатной плате не изменился, скорее, между земляной плоскостью печатной платы и земляной плоскостью корпуса микросхемы возник потенциал.

Это паразитный эффект, возникающий из-за паразитной индуктивности выводов и корпуса. В идеальной интегральной схеме соединительный провод, каркас выводов и любая медь, соединяющая вывод земли с земляной плоскостью печатной платы, являются идеальными проводниками с нулевой индуктивностью, но реальные печатные платы не ведут себя таким образом. Когда интегральная схема переключается, паразитная индуктивность этих элементов (все из которых могут быть взяты последовательно) создает потенциал, который противодействует всплеску тока между земляной плоскостью печатной платы и схемой ввода/вывода на полупроводнике.

Типичная схемная модель, используемая для понимания этих паразитных явлений, показана ниже.

• Узнайте больше о подпрыгивании земли в этой статье

Поскольку земляная плоскость является опорой для выходного контакта и кристалла, между земляной плоскостью кристалла драйвера и земляной плоскостью печатной платы должно быть ненулевое напряжение, в то время как приемник ссылаются на земляную плоскость печатной платы. Посмотрите эту статью для получения дополнительной информации о проблеме отскока земли.

Если вы посмотрите на осциллографический след, отслеживающий выход с I/O, это может показать колебания из-за тока, протекающего по вышеуказанному пути. Когда несколько I/O переключаются одновременно, они фактически параллельно потребляют ток от одного и того же источника питания I/O. Фактически, обратные ЭДС, генерируемые несколькими I/O, накладываются на пострадавший I/O из-за повышенного потенциала земли, измеренного рядом с пострадавшим. Результатом обычно является недостаточно затухающая волновая форма колебаний.

Как можно уменьшить эти колебания? Причины их возникновения следующие:

• Недостаточная декаплинговая и/или обходная емкость на источнике питания I/O
• Недостаточное затухание вдоль токового пути вдоль буфера I/O
• Чрезмерная индуктивность вдоль трассы GND и пути возврата GND
• Чрезмерная индуктивность вдоль пути обходной емкости

Обычно мы уменьшаем индуктивность, используя плоскость GND (снижаем распространяющуюся индуктивность) и обеспечивая прямой путь следа к любому соединению с GND. Затем мы убеждаемся, что соединение с обходным конденсатором также короткое, чтобы вдоль этого пути не было индуктивности.

Использование последовательного резистора для демпфирования обычно не применяется в высокоскоростных каналах, поскольку скорость фронта сигнала становится слишком низкой и через резистор теряется слишком много мощности, если вы нацеливаетесь на критическое демпфирование на фронте. Его можно использовать на шинах с медленной скоростью передачи данных и быстрой скоростью фронта, например, SPI, поскольку эти шины не требуют быстрой скорости фронта и у них нет спецификации импеданса.

Сравнение с обратной перекрестной помехой

Если вы измеряете выход с плохо-обходным компонентом, колебание напряжения, наблюдаемое на выходе, похоже на сигнал, который выглядит как импульс напряжения/тока из-за индуктивного NEXT. Проблема в различении двух связана с паразитными элементами:

• Реальные плоскости заземления и пути возврата от ИС имеют паразитную взаимную индуктивность и сопротивление. Другими словами, они могут передавать перекрестные помехи друг другу, так же как пара сигнальных дорожек.
• Если ИС не развязана от земляной плоскости, напряжение, создаваемое NEXT и отскоком земли, может быть похожим, поскольку паразитные индуктивности, как правило, схожи по величине и полярности.

Второй момент, который я упомянул, является причиной использования обходных конденсаторов рядом с ИС с высоким количеством выводов, быстрыми фронтами сигнала/сильным потреблением тока. Так же, как и с развязывающими конденсаторами в PDN, обходной конденсатор, используемый таким образом, не развязывает и не обходит ничего. Вместо этого, он просто предоставляет резервуар заряда (и напряжения), который компенсирует отскок земли или любые другие колебания напряжения, наблюдаемые между выходом и землей.

Здесь я показал переглушенный отклик в NEXT и FEXT, но любой из этих сигналов может проявлять звон, если паразитная самоиндуктивность высока. Хотя форма волны отскока земли возникает в эквивалентной RL-цепи, она также может проявлять звон из-за стрей-емкостей; это обычно происходит с компонентами CMOS. Кроме того, затухание, испытываемое этими сигналами, будет зависеть от импеданса нагрузки. Поскольку эти сигналы могут быть довольно драматичными, они могут вызвать непреднамеренное переключение в приемнике, если запас по шумам невелик.

Как отличить шум одновременного переключения и NEXT

Это может быть сложной задачей, особенно при работе с прототипом платы, имеющей проблемы с сигналами. Ключевым моментом является попытка разделить эффекты перекрестных помех и шума от одновременного переключения. Стандартная конфигурация для измерения просадки напряжения на земле заключается в подключении изолированного проводника (идеально подходит коаксиальный кабель) от компонента нагрузки напрямую к измерительному прибору, который находится на том же потенциале земли, что и драйвер и приемник. Удерживайте выходной сигнал на этом контакте в НИЗКОМ состоянии и активируйте все остальные выходы на драйвере. Это обеспечивает прямое измерение просадки напряжения на земле, но у этой конфигурации все еще есть проблема, заключающаяся в том, что трасса в НИЗКОМ состоянии все еще подвержена перекрестным помехам.

К счастью, существует лучший способ это сделать. Говард Джонсон рекомендует делать это, разрезая подозреваемую виновную дорожку и подключая коаксиальный кабель с согласованным импедансом напрямую от драйвера к приемнику и измеряя сигнал, входящий в коаксиал. Коаксиаль будет защищен от перекрестных помех, что позволит вам измерить колебания напряжения из-за только скачков напряжения на земле в этом проводнике. Это измеренное напряжение будет видно всем другим коммутирующим выходам, в то время как любые колебания напряжения от перекрестных помех будут различаться по всем дорожкам. Обратите внимание, что в этой конфигурации выход драйвера, подключенный к коаксиалу, также должен быть удерживаем в низком состоянии, в то время как остальные входы/выходы управляются.

Когда вы измеряете какое-либо изменение на выходе от интегральной схемы и подозреваете, что скачки напряжения на земле слишком велики, возможно, самая простая проверка - заменить ваш конденсатор обхода на более крупный конденсатор. Конденсатор обхода не повлияет на сигнал перекрестных помех, но повлияет на сигнал скачков напряжения на земле. Если вы увеличите емкость обхода и колебания напряжения не изменятся значительно (или вообще не изменятся), вы знаете, что сильные скачки напряжения на земле не являются источником проблемы.

С помощью инструментов пост-раскладочного моделирования и анализа перекрестных помех в Altium Designer® вы можете легко симулировать перекрестные помехи в вашей раскладке и использовать это в качестве основы для дальнейших измерений. Эти результаты могут служить основой для результатов тестирования и измерений, что помогает вам проверить, создает ли одновременное переключение шум серьезные проблемы на вашей плате. Также у вас будет доступ к широкому спектру инструментов для моделирования схем, управления данными компонентов и подготовки к производству.

Теперь вы можете скачать бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли инструментах для разработки раскладок, моделирования и планирования производства. Поговорите с экспертом Altium сегодня, чтобы узнать больше.