Передача шума в печатных платах раздражает, узнайте, как предотвратить перекрестные помехи от эксперта Ли Ритчи

Термины "перекрестные помехи" и "связь" используются для описания инъекции электромагнитной энергии с одной линии передачи на другую, расположенную поблизости. На печатных платах перекрестные помехи обычно представляют собой две дорожки, идущие рядом в одном слое или одна над другой в соседних слоях. Эта связанная энергия проявляется как шум на пострадавшей дорожке и может вызвать сбои, если амплитуда слишком велика. Узнайте, как этот шум передается от дорожки к дорожке и методы предотвращения этого.

Для более прикладного применения этих концепций нажмите ниже, чтобы посмотреть видео и узнать, как рассчитать импеданс для одиночной и дифференциальной линии передачи в Altium Designer^®.

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ПОМЕХИ ИЛИ СВЯЗЬ

Термины "перекрестные помехи" и "связь" используются для описания инъекции электромагнитной энергии с одной линии передачи на другую, расположенную поблизости. На печатных платах перекрестные помехи обычно представляют собой две дорожки, идущие рядом в одном слое или одна над другой в соседних слоях. Эта связанная энергия проявляется как шум на пострадавшей дорожке и может вызвать сбои, если амплитуда слишком велика. В этом разделе будет описано, как этот шум передается от дорожки к дорожке и методы предотвращения этого.

На рисунке 1 представлена диаграмма, показывающая две передающие линии, идущие рядом друг с другом. Верхняя передающая линия показана в момент переключения, а нижняя неактивна. Обратите внимание, что рядом с пострадавшей линией находятся две формы сигналов. Одна находится в конце линий, где драйвер находится на управляемой линии, а другая - на противоположном конце или дальнем конце. Заметьте, что формы сигналов различаются. Форма сигнала на конце драйвера пострадавшей линии обычно называется обратной перекрестной помехой или "ближней перекрестной помехой", "NEXT", а форма сигнала на дальнем конце пострадавшей линии - "прямой перекрестной помехой" или "дальней перекрестной помехой", "FEXT".

Точный вид этих двух сигналов зависит от того, что находится на четырех концах линий передачи. Возможные варианты: короткое замыкание, терминирование или разомкнутая цепь. В ссылке 1 в конце этого раздела подробно описывается, как эти конечные терминирования влияют на сигналы, наблюдаемые на пострадавшей линии. Из этой статьи можно будет заметить, что худший случай возникает, когда дальние концы обеих линий являются разомкнутыми цепями, а ближний конец пострадавшей линии - коротким замыканием. Это типично для большинства схем CMOS. В этих условиях сигналы на пострадавшей линии будут выглядеть очень похоже на те, что показаны на Рисунке 1.

В этом обсуждении анализ будет проведен, исходя из этого "наихудшего случая".

Рисунок 1 Две линии передачи, расположенные рядом, взаимодействующие

Рисунок 2 показывает, как две формы перекрестных помех (прямые и обратные) изменяются по мере увеличения длины двух линий передачи, идущих рядом. Обратите внимание, что прямые перекрестные помехи увеличиваются медленнее, чем обратные, по мере увеличения связанной длины. Также заметьте, что наступает момент, когда обратные перекрестные помехи не увеличиваются с увеличением связанной длины. Это называется "критической длиной" или длиной, при которой обратные перекрестные помехи не продолжают увеличиваться или насыщаются.

Передний перекрестный помехи увеличивается гораздо медленнее, чем задний перекрестный помехи, и не становится фактором в печатных платах, поскольку длина параллельного пролегания слишком коротка. Эта форма перекрестных помех была серьезной проблемой для телефонных компаний, когда линии были многометровыми. Этот раздел будет сосредоточен на способах контроля заднего перекрестного помехи.

Рисунок 2. Передний и задний перекрестный помехи как функция сцепленной длины

Методы контроля заднего перекрестного помехи при параллельном маршрутизации

Когда линии передачи расположены рядом, механизм связи доминируется магнитной составляющей электромагнитного поля. В маршрутизации сверху вниз будет доминировать электрическое поле.

Было предложено несколько методов для контроля заднего перекрестного помехи. Среди них:

• Ограничение длины, на которой линии передачи идут рядом
• Вставка «защитных следов» между двумя линиями передачи
• Ряды «заземляющих» переходных отверстий с обеих сторон от чувствительного сигнала

Ограничение длины параллельного пролегания

Наиболее распространенным методом контроля перекрестных помех является ограничение длины, на которой две линии передачи идут рядом друг с другом. В нескольких маршрутизаторах для печатных плат существуют даже специальные процедуры, позволяющие ввести число, обозначающее длину, и запретить маршрутизацию на расстояние, превышающее это значение. Для эффективности этого метода указанная длина должна быть меньше критической длины, показанной на рисунке 2. Если длина параллельного пролегания достигает критической, то можно увидеть, что продолжение параллельного прокладывания за этой точкой не приводит к увеличению перекрестных помех. На рисунке 3 представлен график критической длины как функции времени нарастания сигнала. На графике три кривые, соответствующие трем различным диэлектрическим постоянным (er). Два соответствует тефлону, три соответствует большинству ленточных кабелей, а четыре соответствует большинству диэлектриков, найденных в печатных платах.

Как видно, с увеличением скорости нарастания сигнала критическая длина становится короче. При времени нарастания 1,4 нСек критическая длина составляет около 6 дюймов или 15 см. Если маршрутизатор был настроен на разрешение трех дюймов параллельного прокладывания, то в большинстве конструкций можно было бы выполнить большинство соединений, не исчерпав площадь платы или количество слоев. К сожалению, очень мало современных интегральных схем настолько медленные. В настоящее время времена нарастания до 100 пикосекунд являются очень распространенными. Глядя на Рисунок 3, можно увидеть, что критическая длина при 100 пикосекундах составляет менее половины дюйма или около 1,5 см. При таких временах нарастания контроль длины не сработает. Это хорошо известно в индустрии суперкомпьютеров уже очень долгое время и не является методом, используемым для контроля обратной перекрестной помехи.

Рисунок 3. Критическая длина в зависимости от времени нарастания сигнала

Если контроль длины для ограничения перекрестных помех не работает, какой метод работает?

Обращаясь к рисунку 2, можно заметить, что после достижения критической длины продолжение параллельной трассировки не приводит к увеличению перекрестных помех. На этом этапе существуют только два параметра, влияющих на количество перекрестных помех. Это высота до ближайшей плоскости и расстояние от края до края. Рисунок 4 представляет собой график, показывающий, как изменяются перекрестные помехи в зависимости от высоты над ближайшей плоскостью и расстояния от края до края после достижения критической длины.

Рисунок 4. Обратные перекрестные помехи в зависимости от высоты над плоскостью и расстояния, стриплайн

Рисунок 4 назван "Несимметричный" стриплайн. Это означает, что линии передачи находятся между двумя плоскостями, но не центрированы между ними. Это типично для печатных плат, имеющих два сигнальных слоя между парой плоскостей. Обратите внимание, что перекрестные помехи значительно уменьшаются по мере уменьшения высоты над ближайшей плоскостью. Они также уменьшаются еще более быстро, когда дорожки раздвигаются друг от друга. Рисунок 5 представляет собой график, показывающий эти значения для микро-стриплайна, сигнальных слоев, которые находятся снаружи печатной платы.

Рисунок 5. Обратные перекрестные помехи в зависимости от высоты над плоскостью и расстояния, микро-стриплайн

Защитные дорожки

Многие практические рекомендации предлагают вставлять "защитные дорожки" между линиями передачи как метод контроля перекрестных помех. Если это работает, почему это работает? И если это работает, есть ли какие-либо недостатки при использовании этого метода? "Стандартная практика" во многих компаниях заключается в прокладке с 5 мил дорожками и 5 мил промежутками. Ссылаясь на Рисунок 4, если бы печатная плата была проложена согласно этим правилам и высота над ближайшей плоскостью составляла бы 5 мил (также), перекрестные помехи составили бы около 8%. Если бы это было определено как чрезмерное и была добавлена защитная дорожка, что бы это влекло за собой? Для освобождения места под защитную дорожку необходимо добавить 5 мил промежуток и 5 мил дорожку. Теперь расстояние от края до края составляет 15 мил вместо 5 мил, и перекрестные помехи меньше 1%. Причиной этого уменьшения не была защитная дорожка. Это было разделение.

Недостатки добавления защитных дорожек: это значительно усложняет прокладку. Защитная дорожка не является барьером. Это резонансная цепь, которая может усилить перекрестные помехи, создавая полосовой фильтр.

Правильный метод контроля перекрестных помех при параллельной прокладке - это только разделение.

Ряды "Заземляющих" Переходных Отверстий

Один из предложенных в заметках приложений и гуру методов заключается в размещении "заземляющих" переходных отверстий (виас) с обеих сторон "критического" следа для защиты чувствительной линии передачи. Это правило не сопровождается никакими доказательствами его действенности. Кроме того, ответы на вопросы о том, сколько использовать виас и какое должно быть их расположение, остаются неопределенными. Если бы это было действительно полезно и необходимо, ни один из серверов и маршрутизаторов, которые мы разрабатываем каждый день, не был бы возможен, так как не хватило бы места для всех этих переходных отверстий. Это ложное правило и его не следует использовать. Главное наблюдение заключается в том, что действительные правила проектирования имеют прямые доказательства. У этого таковых нет.

Методы контроля обратной перекрестной помехи с использованием маршрутизации сверху вниз

Когда проводится маршрутизация сверху вниз, где одна линия передачи находится на одном слое, а другая - на слое выше или ниже, связь доминируется электрическим полем, почти как если бы между двумя линиями передачи был подключен маленький конденсатор. Связанные формы сигналов выглядят именно так. С быстрыми фронтами современной логики количество энергии, передаваемой между двумя следами, настолько быстро растет с увеличением их перекрытия, что превышает допустимые пределы даже на очень коротких участках.

Единственно безопасный способ контролировать перекрестные помехи с соседними слоями сигналов - это прокладывать трассы на одном слое в направлении X, а на другом - в направлении Y. Большинство систем проектирования печатных плат имеют возможность указать один слой как X, а другой как Y, чтобы предотвратить такое перекрытие. К сожалению, многие из них время от времени нарушают это ограничение, поэтому необходимо дважды проверить после трассировки, чтобы убедиться, что это правило было соблюдено.

Расчет перекрестных помех

Существует множество эмпирических правил о том, как располагать трассы для контроля перекрестных помех. Среди них: в три раза больше высоты над ближайшей плоскостью; в два раза больше ширины трассы и в четыре раза больше ширины трассы. Эти правила кажутся немного произвольными, и они таковы. Для определения необходимого расстояния первый вопрос, который нужно решить, это сколько перекрестной помехи допустимо? Это зависит от нескольких факторов, включая то, идет ли трасса-жертва рядом с другой трассой с гораздо более высокой амплитудой или она идет вдоль другой трассы с сигналом той же амплитуды.

Определение допустимого уровня шума

В ссылке 2 в конце этого раздела приведена глава о создании правил проектирования с использованием анализа запаса помехоустойчивости. В этом разделе показано, что бюджет шума логического семейства расходуется на несколько источников шума. Для CMOS существуют четыре основных источника шума. Это: перекрестные помехи, отражения, пульсации на Vdd и скачки напряжения на землю в корпусах ИС. После того как количество шума от последних трех источников рассчитано, это значение вычитается из запаса помехоустойчивости логического семейства для определения допустимого уровня перекрестных помех.

Аналитический метод определения перекрестных помех

Существуют аналитические инструменты, позволяющие рассчитать перекрестные помехи, которые будут возникать при предложенной геометрии между двумя линиями передачи. Рисунок 6 представляет собой снимок экрана в Hyperlynx^® пары линий передачи, которые будут использоваться для расчета перекрестных помех для предложенной геометрии. Это две схемы CMOS, при этом верхняя активна, а нижняя установлена в логический 0.

Рисунок 6. Схема, используемая для расчета перекрестных помех

На рисунке 7 показан экран, на котором указаны расстояние между дорожками, а также ширина и высота дорожек над плоскостью. Следует отметить, что ширина дорожки не влияет на перекрестные помехи, только расстояние от края до края и высота над ближайшей плоскостью имеют значение после того, как линии передачи были проложены за пределы «критической длины».

Рисунок 7. Экран, показывающий геометрию связанной пары на рисунке 6

На рисунке 8 представлен набор форм сигналов, возникающих при переключении управляемой линии с логической 1 на логический 0. Красная форма сигнала - это сигнал на драйвере управляемой линии, а фиолетовая форма сигнала - это сигнал на приемнике управляемой линии. Плоская желтая линия - это выход пострадавшей линии, которая находится в логическом 0, а форма сигнала с выпуклостью - это приемный конец пострадавшей линии.

Рисунок 8. Формы сигналов при переключении управляемой линии на рисунке 6

Шум на пострадавшей линии появляется на «переднем» или приемном конце пострадавшей линии и, по-видимому, не является обратной перекрестной помехой, которая должна появляться на «заднем» конце пострадавшей линии. Причина этого в том, что управляемый конец пострадавшей линии представляет собой логический 0, который является коротким замыканием. Из раздела о линиях передачи было замечено, что короткие замыкания не поглощают энергию. Вместо этого они отражают её в виде инвертированной волны, как было показано на Рисунке 8. Второе наблюдение в разделе о линиях передачи заключается в том, что разомкнутые цепи также не поглощают энергию, но отражают её обратно в двойном размере, как это видно на Рисунке 8.

Амплитуда перекрестной помехи на Рисунке 8 составляет около 1 вольта на линии сигнала 3,3 вольта. Это явно слишком много. Решение состоит в том, чтобы вернуться к экрану, где устанавливаются высота и расстояние, и отрегулировать один или оба параметра до тех пор, пока результирующая перекрестная помеха не окажется в пределах допустимого окна проектирования. После проведения этого анализа правила для перекрестной помехи будут точными и не будут результатом какого-либо произвольного эмпирического правила.

ССЫЛКИ ПО ВЫСОКОСКОРОСТНОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ

• «Углы 90 градусов, последний поворот» Даг Брукс и др., Printed Circuit Design, январь 1998 года.
• СИГНАЛЬНАЯ ЦЕЛОСТНОСТЬ - УПРОЩЕННО, Эрик Богатин, Prentice Hall, 2004.
• «Отражения и перекрестные помехи в логических схемах соединений», Джон А ДеФалько, IEEE Spectrum, июль 1970.
• «Сделать правильно с первого раза, практическое руководство по проектированию высокоскоростных печатных плат и систем, Тома 1 и 2», Засио и Ричи, Speeding Edge 2003 и 2006.

Altium - это высококлассная платформа программного обеспечения для проектирования печатных плат, которая предоставляет вам все необходимые инструменты для создания лучших печатных плат. Нажмите на бесплатную пробную версию, чтобы попробовать самостоятельно или посмотрите эпизод подкаста OnTrack с гостем Ли Ричи ниже.

Зарегистрируйтесь и попробуйте Altium 19 сегодня.