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Technologie PCB
Analyse et minimisation des échanges de PCB à grande vitesse
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Analyse et minimisation des échanges de PCB à grande vitesse

Analyse et minimisation des échanges de PCB à grande vitesse

2021-08-24
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Author:IPCB

1. Introduction


With the increaArt.ing compLexity and performance of electronic products, the density of printed circuit board s and the frequency of related devices are constantly increasing. La maintenance et l'amélioration de la vitesse et des performances du système sont devenues un problème important pour les concepteurs. Fréquence du signal plus élevée, the edges become steeper, La taille de la carte de circuit imprimé diminue, and the wiring density increases, Attendez.., which significantly increase the influence of crosstalk in Conception de Circuits imprimés à grande vitesse. Le problème de crosstalk existe objectivement, but exceeding a certain limit may cause false triggering of the circuit and cause the system to fail to work normally. Le concepteur doit comprendre le mécanisme de crosstalk et appliquer les méthodes appropriées dans la conception afin de minimiser les effets négatifs de crosstalk.


(2). The generation and changing trend of high-frequency digital signal crosstalk

Crosstalk est un signal de tension sonore indésirable produit par le couplage mutuel des champs électromagnétiques entre les signaux adjacents lorsque le signal se propage sur la ligne de transmission, c'est - à - dire que l'énergie est couplée d'une ligne à l'autre.

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Comme le montre la figure 1, for ease of analysis, Nous décrivons le modèle de conversation croisée de deux lignes de transmission adjacentes selon un modèle d'équivalence discrète.. The characteristic impedance of the transmission lines AB and CD is Z0, R ésistance correspondante du terminal r = Z0. If the driving source at point A is the interference source, Le réseau câblé entre a et B est appelé ligne d'intrusion, and the wire network between C and D is called the Victim line, C'est perturbé.. The crosstalk near the driving end of the interference source network is called near-end crosstalk (also called backward crosstalk), and the crosstalk near the receiving end of the interference source network is called far-end crosstalk (also called forward crosstalk). Crosstalk mainly originates from the mutual inductance LM and mutual capacitance Cm formed between two adjacent conductors.


2.1 couplage inductif


Dans la figure 1, seul le couplage inductif causé par l'inductance mutuelle LM est d'abord considéré. Le champ magnétique du signal transmis sur les lignes a à B induit une tension sur les lignes C à D. le couplage magnétique agit comme un transformateur. Comme il s'agit d'une ligne de transmission distribuée, l'inductance mutuelle devient également une série de transformateurs répartis entre deux lignes de transmission parallèles adjacentes. Lorsque le signal de pas de tension passe de a à B, chaque transformateur distribué sur la ligne d'interférence induit à son tour un pic d'interférence sur le réseau perturbé. Le bruit de tension superposé par inductance mutuelle sur le réseau perturbé est proportionnel au changement du courant d'entraînement sur le réseau perturbé. La formule de calcul du bruit généré par l'inductance mutuelle est la suivante:

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Il convient de noter que les polarités de couplage inductif mutuel des différentes parties du transformateur de couplage sont différentes.. L'énergie d'interférence générée sur le réseau perturbé est à son tour vers l'avant et vers l'arrière., but the polarity is opposite, C et c le long de la ligne de transmission CD, respectivement. À partir du point d.

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As shown in Figure 2, L'énergie d'interférence positive dans la Direction C est proportionnelle à la tension incidente et à chaque composante d'inductance mutuelle LM. Because all the forward interference energy reaches point C almost at the same time, L'énergie d'interférence vers l'avant est proportionnelle à l'inductance mutuelle totale des deux lignes de transmission., the longer the parallel length of the transmission line, Plus la quantité totale d'inductance mutuelle générée est grande, and the forward interference energy also increases; however, L'énergie d'interférence inverse au point d est différente de l'énergie d'interférence positive au point c Oui, Bien que la surface totale de couplage des deux soit la même, the interference component induced by each mutual inductance transformer reaches D in sequence, and the effective time of the backward interference energy is as long as 2Tp (Tp is the propagation delay). With the extension of the parallel length (that is, the increase of mutual inductance), the magnitude of the backward crosstalk will not change, Mais la durée augmente.


2.2 couplage capacitif


La capacité mutuelle est un autre mécanisme de génération de crosstalk. Le condensateur mutuel cm produira un courant induit sur le réseau perturbé. Ce courant est proportionnel au taux de variation de tension sur le réseau d'interférence. La formule de calcul du bruit généré par la capacité mutuelle cm est la suivante:

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Le mécanisme de couplage du condensateur de couplage distribué est similaire à celui du couplage inductif distribué, et la différence réside dans la polarité du couplage. Comme le montre la figure 3, la polarité des énergies d'interférence avant et arrière du couplage capacitif mutuel est positive.

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2.3 effet combiné de l'inductance mutuelle et de la capacité


En général, les échanges capacitifs et inductifs se produisent simultanément. À partir de la référence [1], nous pouvons obtenir la formule de calcul de la conversation croisée totale à l'extrémité proche et à l'extrémité distale superposée respectivement par le couplage capacitif et le couplage inductif.


Le bruit total de crosstalk proximal est:

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Le bruit total de crosstalk à distance est:

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Où Z0, C, l, CM, LM, l et V0 sont l'impédance caractéristique de la ligne de transmission, la capacité par Unit é de longueur, l'inductance par unité de longueur, la capacité de couplage et l'inductance de couplage entre les deux lignes de transmission, la longueur parallèle des deux lignes de transmission et Le pic de tension.


Comme le montrent les deux formules ci - dessus, en raison de la relation de polarité entre le couplage capacitif et le couplage inductif, le bruit total du Crosstalk distant est soustrait l'un de l'autre, c'est - à - dire que le crosstalk distant peut être éliminé. Dans la disposition des Circuits imprimés, le circuit de la ligne de bande peut équilibrer le couplage inductif et le couplage capacitif, et son énergie de couplage vers l'avant est très faible. Dans le cas des lignes Microstrip (microstfip), une grande partie du champ électrique associé aux échanges est constituée d'air plutôt que d'autres matériaux isolants, de sorte que les échanges capacitifs sont plus petits que les échanges inductifs, ce qui entraîne un nombre négatif plus faible de couplages positifs. C'est pourquoi l'interférence du Crosstalk distant est souvent négligée dans la conception normale et l'accent est mis sur l'amélioration du Crosstalk proximal.


In the actual Conception, Paramètres pertinents du système Circuits imprimés (such as thickness, Constante diélectrique, etc.), as well as line length, Poids de ligne, line spacing, Emplacement des lignes de transmission et des plans au sol, and the current flow direction will affect c, l, Cm, Lm, L, La taille dépend de la fréquence du signal et de la montée/fall time of the device.


Dans ce cas, nous n'effectuerons pas d'analyse quantitative de l'effet de ces paramètres sur le crosstalk.. La relation entre ces paramètres et le degré d'influence de crosstalk, please refer to other relevant references for details.


2.4 Évolution des échanges


La taille de l'inductance mutuelle et de la capacité affecte la taille du Crosstalk, de sorte que l'impédance caractéristique et la vitesse de propagation de la ligne de transmission peuvent être modifiées de façon équivalente. De même, la géométrie de la ligne de transmission influence dans une large mesure les variations de l'inductance mutuelle et de la capacité, de sorte que l'impédance caractéristique de la ligne de transmission elle - même affecte également ces paramètres. Dans le même milieu, le couplage entre la ligne de transmission à faible impédance relative et le plan de référence (plan au sol) est plus fort, tandis que le couplage entre la ligne de transmission à faible impédance relative et la ligne de transmission adjacente est plus faible, de sorte que la ligne de transmission à faible impédance a moins de variation d'impédance causée par le crosstalk.


3. Plusieurs effets de crosstalk


Haute vitesse, Haute densité Circuits imprimés design, La mise à la terre complète est généralement fournie, so that each signal line basically only interacts with its nearest signal line, Le couplage croisé d'autres lignes de signalisation éloignées est négligeable. Nevertheless, Dans un système analogique, when high-power signals pass through low-level input signals or when components with higher signal voltages (such as TTL) are close to components with lower signal voltages (such as ECL), Très haute résistance requise. Crosstalk capability. In Circuits imprimés design, En cas de mauvaise manipulation, crosstalk has the following two typical effects on the signal integrity of high-speed Circuits impriméss.


3.1 déclenchement d'une erreur causée par une conversation croisée

Signal crosstalk is an important part of the signal integrity problems faced by high-speed design. L'erreur de fonctionnement du circuit numérique causée par le crosstalk est l'une des plus courantes.

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Figure 4 is a typical transmission of error logic in adjacent networks caused by crosstalk pulses. Le signal transmis sur le réseau de sources d'interférence passe par un condensateur de couplage, causing a noise pulse on the interfered network and the receiving end, Provoque l'envoi d'impulsions indésirables au récepteur. Si l'intensité de l'impulsion dépasse la valeur de déclenchement du récepteur, an uncontrollable trigger pulse will be generated, La logique du réseau de niveau suivant est confuse.


3.2 retard de synchronisation causé par le crosstalk


Dans la conception numérique, la question du temps est une considération importante. La figure 5 montre un problème de synchronisation causé par le bruit de crosstalk. La partie inférieure de la figure est constituée de deux types d'impulsions sonores générées par le réseau de sources d'interférence (une défaillance retardée utile de la figure 5 et une défaillance inutile causée par le bruit de crosstalk). Lorsque des impulsions de bruit (défauts mineurs utiles) sont superposées au réseau perturbé, elles peuvent causer des interférences dans la transmission du signal du réseau. Réduction des délais; De même, lorsque des impulsions sonores (petites défaillances inutiles) sont superposées au réseau perturbé, le retard de transmission normal du signal du réseau perturbé est augmenté. Bien que ce bruit de crosstalk qui réduit le retard de transmission du réseau contribue à améliorer le Timing des Circuits imprimés, dans la conception réelle des Circuits imprimés, ce retard n'est pas contrôlable en raison de l'incertitude du réseau source d'interférence, de sorte que le retard causé par ce Crosstalk doit être supprimé.

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4. Minimize crosstalk


Crosstalk is ubiquitous in high-speed and Haute densité Circuits imprimés design, and the impact of crosstalk on the system is generally negative. Pour réduire les échanges, Le plus fondamental est de réduire au minimum le couplage entre le réseau source et le réseau perturbé.. Il est impossible d'éviter complètement le crosstalk Haute densité and complex Circuits imprimés design. However, Dans la conception du système, Le concepteur doit choisir les méthodes appropriées pour réduire au minimum les échanges sans affecter les autres performances du système.. Combined with the above analysis, La solution du problème de crosstalk est principalement considérée sous les aspects suivants:


Si les conditions de câblage le permettent, augmenter autant que possible la distance entre les lignes de transmission; Ou réduire au minimum la longueur parallèle (longueur parallèle cumulée) entre les lignes de transmission adjacentes, de préférence entre les couches.


The signal layer (without planar layer isolation) of the adjacent two layers should be perpendicular to the routing direction, Le câblage parallèle doit être évité autant que possible afin de réduire les échanges entre les couches..


Dans le cas où le timing du signal est garanti, le dispositif à faible vitesse de conversion doit être sélectionné autant que possible afin de ralentir le taux de changement du champ électrique et du champ magnétique et de réduire ainsi les échanges.


When designing the stack, Lorsque l'impédance caractéristique est satisfaite, the dielectric layer between the wiring layer and the reference plane (power or ground plane) should be made as thin as possible, Cela augmente le couplage entre la ligne de transmission et le plan de référence et réduit le couplage adjacent de la ligne de transmission..


Étant donné que la couche superficielle n'a qu'un seul plan de référence, le couplage de champ électrique du câblage de la couche superficielle est plus fort que celui du câblage de la couche intermédiaire, de sorte que les lignes de signal plus sensibles au Crosstalk doivent être placées dans la couche intérieure autant que possible.


Grâce à la terminaison, l'impédance des bornes distales et proximales de la ligne de transmission peut correspondre à l'impédance de la ligne de transmission, ce qui peut grandement réduire l'amplitude de la conversation croisée.


5. Conclusions


Digital system design has entered a new stage. Many high-speed design issues that used to be of secondary importance now have a critical impact on system performance. Signal integrity issues including crosstalk have brought about changes in design concepts, Processus de conception, and design methods. Relever de nouveaux défis, the most important thing for crosstalk noise is to find out those networks that have a real impact on the normal operation of the system, Au lieu de supprimer aveuglément le bruit de crosstalk sur tous les réseaux. This is also in line with limited wiring resources. Ambivalente. The crosstalk discussed in this article is of great significance for solving the crosstalk problem in high-speed and Haute densité Conception de circuits.