Là Tiếng ồn Chuyển mạch Đồng thời hay Nhiễu chéo?

Với vô số vấn đề về độ ổn định tín hiệu có thể xuất hiện trên các PCB thực tế, làm thế nào để nhà thiết kế tinh tế có thể phân biệt chúng? Một số vấn đề rõ ràng hơn những vấn đề khác, với việc phát triển các phép đo độ ổn định tín hiệu cụ thể để kiểm tra và đo lường các khía cạnh cụ thể của hành vi tín hiệu.

Một câu hỏi xuất hiện liên quan đến sự xuất hiện của sự biến động trong điện áp đầu ra trên một nhóm các I/O, được biết đến như là tiếng ồn chuyển mạch đồng thời hoặc, phổ biến hơn, là sự nảy đất. Nếu bạn kiểm tra điện áp được tạo ra khi nhiều đầu ra chuyển mạch đồng thời, loại biến động tiềm năng này trông rất giống với sự crosstalk lùi (tức là, gần cuối) do từ trường. Thực tế là, nhiều vấn đề về độ ổn định tín hiệu có thể tồn tại trên một kết nối đơn lẻ đồng thời. Vậy làm thế nào bạn có thể phân biệt giữa hai vấn đề một cách chính xác và xác định liệu bố trí của bạn cần thay đổi? Hãy phân tích hai hiệu ứng và xác định cái nào có ảnh hưởng lớn hơn đến độ ổn định tín hiệu.

Tiếng ồn chuyển mạch đồng thời là gì?

Tôi đã thấy các nhà thiết kế IC thường sử dụng thuật ngữ "tiếng ồn chuyển mạch đồng thời" trong khi các nhà thiết kế PCB thường hay sử dụng "sự nảy mặt đất" để mô tả cùng một hiện tượng. Tiếng ồn chuyển mạch đồng thời ám chỉ sự thay đổi rõ rệt về tiềm năng của mặt đất gần một IC đang chuyển mạch. Trên thực tế, tiềm năng của mặt đất trong PCB không thay đổi, mà một tiềm năng đã phát triển giữa mặt đất của PCB và mặt đất của gói die IC.

Đây là một hiệu ứng ký sinh phát sinh do độ tự cảm ký sinh của chân gói. Trong một IC lý tưởng, dây bond, khung dẫn và bất kỳ đồng nào kết nối chân mặt đất với mặt đất của PCB là những dẫn truyền hoàn hảo với độ tự cảm bằng không, nhưng PCB thực tế không hoạt động theo cách này. Khi IC chuyển mạch, độ tự cảm ký sinh trong những thành phần này (tất cả có thể được xem xét nối tiếp) phát triển một tiềm năng chống lại dòng điện đột ngột giữa mặt đất của PCB và mạch đệm I/O trên bán dẫn.

Mô hình mạch điển hình được sử dụng để hiểu về những ký sinh này được hiển thị dưới đây.

• Tìm hiểu thêm về sự nảy mặt đất trong bài viết này

Vì mặt đất là điểm tham chiếu cho chân đầu ra và vi mạch, nên phải có một điện áp khác không giữa mặt đất của vi mạch điều khiển và mặt đất của PCB, trong khi đó bộ thu được tham chiếu theo mặt đất của PCB. Hãy xem bài viết này để biết thêm thông tin về hiện tượng nảy mặt đất.

Nếu bạn nhìn vào dấu vết oscilloscope theo dõi đầu ra từ một I/O, nó có thể hiển thị hiện tượng rung do dòng điện bị hút dọc theo con đường trên. Khi nhiều I/O chuyển đổi cùng một lúc, chúng cơ bản đang rút dòng từ cùng một nguồn cung cấp điện I/O một cách song song. Cơ bản, các EMF ngược được tạo ra từ nhiều I/O chồng chất lên một I/O nạn nhân do tiềm năng mặt đất tăng lên được đo gần nạn nhân. Kết quả thường là một hình sóng rung không đủ giảm xóc.

Làm thế nào để giảm bớt hiện tượng rung này? Các nguyên nhân xảy ra như sau:

• Không đủ tụ decoupling và/hoặc tụ bypass trên nguồn cung cấp điện I/O
• Không đủ giảm xóc dọc theo con đường dòng điện qua bộ đệm I/O
• Độ tự cảm quá mức dọc theo đường dẫn GND và đường trở về GND
• Độ tự cảm quá mức dọc theo đường dẫn của tụ bypass

Thông thường, chúng tôi giảm độ tự cảm bằng cách sử dụng một mặt đất GND (giảm độ tự cảm lan truyền) và cung cấp một đường dẫn trực tiếp đến bất kỳ kết nối GND nào. Sau đó, chúng tôi đảm bảo rằng kết nối với tụ bỏ qua cũng ngắn để không có độ tự cảm dọc theo con đường đó.

Việc sử dụng điện trở nối tiếp để giảm xóc thường không được sử dụng trong kênh tốc độ cao, lý do là tốc độ cạnh trở nên quá chậm và quá nhiều năng lượng bị mất qua điện trở nếu bạn nhắm đến việc giảm xóc tới hạn trên cạnh. Nó có thể được sử dụng trên các bus tốc độ baud chậm hơn với tốc độ cạnh nhanh, như SPI, bởi vì những bus đó không cần tốc độ cạnh nhanh và chúng không có thông số trở kháng.

So sánh với Crosstalk Ngược

Nếu bạn đo đầu ra từ một thành phần bỏ qua kém, sự biến động điện áp thấy ở đầu ra giống như một tín hiệu trông giống như một đỉnh điện áp/dòng điện do NEXT từ cảm. Vấn đề trong việc phân biệt hai loại liên quan đến các yếu tố nhiễu:

• Mặt đất thực và đường trở về từ ICs có độ tự cảm và điện trở tương hỗ nhiễu. Nói cách khác, chúng có thể truyền crosstalk cho nhau, giống như một cặp dây dẫn tín hiệu.
• Nếu một IC không được tách biệt khỏi mặt đất, điện áp được tạo ra bởi NEXT và sự nảy của mặt đất có thể tương tự như các độ tự cảm nhiễu có xu hướng tương tự về độ lớn và cực tính.

Điểm thứ hai mà tôi đã đề cập là lý do tại sao tụ điện bypass được sử dụng gần các IC có số lượng chân ra cao/tốc độ tăng nhanh/dòng điện mạnh. Giống như với tụ điện tách biệt trong PDNs, một tụ điện bypass được sử dụng theo cách này không tách biệt hay bypass bất cứ thứ gì. Thay vào đó, nó chỉ cung cấp một nguồn dự trữ của điện tích (và điện áp) bù đắp cho sự nảy của mặt đất hoặc bất kỳ biến động điện áp nào được thấy giữa đầu ra và mặt đất.

Ở đây, tôi đã chỉ ra một phản ứng quá dẫn trong NEXT và FEXT, nhưng bất kỳ tín hiệu nào trong số này cũng có thể hiển thị hiện tượng rung nếu độ tự cảm nhiễu của chính nó cao. Mặc dù sóng dạng nảy của mặt đất xảy ra trong một mạch tương đương RL, nó cũng có thể hiển thị hiện tượng rung do dung kháng lạc đường; điều này thường xảy ra với các thành phần CMOS. Hơn nữa, sự giảm xóc mà những tín hiệu này trải qua sẽ phụ thuộc vào trở kháng tải. Vì những tín hiệu này có thể khá kịch tính, chúng có thể gây ra sự chuyển mạch không mong muốn trong bộ thu nếu biên độ nhiễu mỏng.

Cách Phân Biệt Tiếng Ồn Chuyển Mạch Đồng Thời và NEXT

Đây có thể là một nhiệm vụ khó khăn, đặc biệt là khi làm việc với một bảng mạch nguyên mẫu gặp phải một số vấn đề về tín hiệu. Chìa khóa là cố gắng tách biệt hiệu ứng của crosstalk và tiếng ồn chuyển mạch đồng thời. Cấu hình tiêu chuẩn để đo lường sự nảy sóng của mặt đất là dùng một dây dẫn cô lập (cáp đồng trục là lý tưởng) từ một thành phần tải trực tiếp đến một đồng hồ đo, được giữ ở cùng một tiềm năng mặt đất với bộ điều khiển và bộ nhận. Giữ đầu ra điều khiển trên chân này ở mức THẤP, và điều khiển tất cả các đầu ra khác trên bộ điều khiển. Điều này cung cấp một phép đo trực tiếp về sự nảy sóng của mặt đất, nhưng cấu hình này vẫn có một vấn đề là dấu vết ở mức THẤP vẫn dễ bị ảnh hưởng bởi crosstalk.

May mắn thay, có một cách tốt hơn để làm điều này. Howard Johnson khuyến nghị thực hiện điều này bằng cách cắt dấu vết nghi ngờ là nạn nhân và nối một cáp đồng trục có trở kháng phù hợp trực tiếp từ bộ điều khiển và bộ nhận, sau đó đo tín hiệu đi vào cáp đồng trục. Cáp đồng trục sẽ được bảo vệ khỏi nhiễu chéo, cho phép bạn đo biến động điện áp do chỉ có sự nảy đất trong dẫn này. Điện áp đo được sẽ được thấy bởi tất cả các đầu ra chuyển mạch khác, trong khi bất kỳ biến động điện áp nào từ nhiễu chéo sẽ thay đổi trên tất cả các dấu vết. Lưu ý rằng, trong cấu hình này, đầu ra bộ điều khiển được kết nối với cáp đồng trục cũng nên được giữ ở mức THẤP trong khi các I/O còn lại được điều khiển.

Khi bạn đo được một số biến động trong đầu ra từ một IC và bạn nghi ngờ nảy đất quá mức, có lẽ kiểm tra dễ dàng nhất là thay tụ bypass bằng một tụ lớn hơn. Tụ bypass sẽ không ảnh hưởng đến tín hiệu nhiễu chéo, nhưng nó sẽ ảnh hưởng đến tín hiệu nảy đất. Nếu bạn tăng dung lượng tụ bypass và biến động điện áp không thay đổi đáng kể (hoặc không có sự thay đổi nào cả), bạn biết rằng nảy đất mạnh không phải là nguồn gốc của vấn đề.

Với các công cụ mô phỏng sau bố trí và phân tích nhiễu chéo trong Altium Designer®, bạn có thể dễ dàng mô phỏng nhiễu chéo trong bố trí của mình và sử dụng điều này như một tài liệu tham khảo cho các phép đo tiếp theo. Kết quả này có thể được sử dụng như một tài liệu tham khảo cho kết quả kiểm tra và đo lường, giúp bạn xác minh liệu nhiễu chuyển mạch đồng thời có tạo ra vấn đề lớn trong bảng mạch của bạn hay không. Bạn cũng sẽ có quyền truy cập vào một loạt các công cụ cho mô phỏng mạch, quản lý dữ liệu linh kiện, và chuẩn bị cho sản xuất.

Giờ đây bạn có thể tải về bản dùng thử miễn phí của Altium Designer và tìm hiểu thêm về các công cụ bố trí, mô phỏng, và lập kế hoạch sản xuất tốt nhất trong ngành. Nói chuyện với một chuyên gia Altium ngày hôm nay để tìm hiểu thêm.