Оптимизация перекрестных помех в параллельных микрополосковых линиях на печатных платах: стратегии проектирования на основе симуляции

Теория перекрестных помех

На основе электромагнитной теории, перекрестные помехи (crosstalk) относятся к электромагнитной развязке между двумя сигнальными линиями. Это тип шума, вызванный взаимной емкостью и взаимной индуктивностью между сигнальными линиями.

На рисунке 1, среди двух параллельных линий, одна линия имеет источник сигнала (V_S) и внутреннее сопротивление (Z_OG) на одном конце линии и нагрузку (Z_LG) на другом, образуя замкнутую цепь через заземление. Другая линия имеет только сопротивления (Z_OR и Z_LR) со структурой одиночного провода к заземлению. На этой фигуре провод с источником сигнала называется излучающей линией или линией помех, а другая линия — принимающей линией или подверженной помехам линии.

Когда управляющий сигнал (1) проходит через излучающую линию, помехосигнал будет генерироваться с противоположными направлениями в результате паразитной емкости между излучающей и принимающей линиями. В то же время, проходя через излучающую линию, управляющий сигнал генерирует изменяющееся магнитное поле, которое индуцирует помеховый ток с направлением, противоположным управляющему сигналу, после пересечения принимающей линии. Помеховые токи (2) и (3) — это сигналы перекрестных помех, развязанные от излучающей линии к принимающей линии управляющим сигналом. Так генерируются перекрестные помехи.

Перекрестные помехи можно классифицировать на емкостные и индуктивные на основе разных причин. Емкостные перекрестные помехи относятся к развязанному напряжению, генерируемому взаимной развязкой емкости, а индуктивные — к развязанному току, генерируемому взаимной развязкой индуктивности.

На основе мест, где происходят перекрестные помехи, их можно классифицировать на ближние (near-end) и дальние (far-end). На рисунке 1 ближние перекрестные помехи — это помехосигнал, генерируемый управляющим сигналом (1) на ближнем конце принимающей линии, складывающий емкостные (3) и индуктивные (2) перекрестные помехи. Дальние перекрестные помехи — помехосигнал, генерируемый управляющим сигналом (1) на дальнем конце принимающей линии, инверсно складывающий емкостные (3) и индуктивные (2) перекрестные помехи.

Перекрестные помехи генерируются между двумя проводниками из-за электромагнитной развязки. Анализ перекрестных помех — расчет помехового напряжения от индуктивности управляющего сигнала к обеим сторонам принимающей линии при заданном управляющем сигнале. V_R(0) устанавливается как помеховое напряжение на принимающей линии, когда X равно 0, а V_R(L) — помеховое напряжение на принимающей линии, когда X равно L. Тогда можно получить две формулы:

Симуляционная модель анализа перекрестных помех между двумя параллельными микрополосковыми линиями

В статье печатная плата, используемая в симуляционной модели, имеет размер 20×60 мм (ширина × длина) с эпоксидным стекловолокнистым ламинатом FR-4 в качестве материала подложки, чья диэлектрическая постоянная 4,7. Рисунок 2 показывает поперечный срез симуляционной модели.

На рисунке 2 верхний слой — плоскость проводки (микрополосковая линия), а нижний — экранирующая плоскость. Микрополосковая линия — идеальный проводник, а экранирующая плоскость — идеальная проводящая плоскость. Параметры двух параллельных микрополосковых линий могут быть заданы как: L=40 мм, W=0,5 мм, H=0,3 мм. Согласно формуле характеристического импеданса микрополосковой линии (), характеристический импеданс микрополосковой линии составляет 50 Ом.

Примечание: 0,38 мм < W < 0,64 мм; T относится к толщине микрополосковой линии.

На рисунке 3 первый порт (P1) излучающей линии — порт источника помех. Каждый порт излучающей и принимающей линий соединен характеристическим импедансом (50 Ом), поэтому сигнал перекрестных помех будет поглощен, когда достигнет ближнего и дальнего концов принимающей линии, и не вернется для влияния на перекрестные помехи. В результате две микрополосковые линии образуют 4-портную сеть, параметры S13 и S14 которой могут быть рассчитаны соответственно: , .

TR₀ относится к перекрестным помехам излучающей линии к ближнему концу принимающей линии, а TR_L — к перекрестным помехам излучающей линии к дальнему концу принимающей линии.

Результаты симуляции и обсуждение

Интенсивность перекрестных помех при изменении частоты

Обычные сигналы являются результатом сложения синусоидальных волн с разными частотами и амплитудами, поэтому значимо изучить, как перекрестные помехи двух микрополосковых линий меняются с частотой одной синусоидальной волны.

Для лучшего отражения закономерностей, рисунок 4 получен с расстоянием проводки (D) значениями 1 мм и 3 мм, показывая, как перекрестные помехи меняются с частотой.

Можно заключить, что в диапазоне низких частот интенсивность перекрестных помех имеет линейное отношение к частоте сигнала, будь то дальние или ближние перекрестные помехи. В диапазоне высоких частот ближние перекрестные помехи (S₁₃) показывают сильную периодическую вибрацию с увеличением частоты, в то время как дальние перекрестные помехи ведут себя наоборот. Это в основном опирается на разные расстояния между емкостными перекрестными помехами и ближним/дальним концом, между индуктивными перекрестными помехами и ближним/дальним концом. В диапазоне низких частот фазы в основном одинаковы от этих двух типов перекрестных помех и портов, и относительные фазы интегрированного сигнала мало влияют на степень. Однако в диапазоне высоких частот, под разными частотами, фазы имеют большие дифференциалы от этих двух типов сигналов перекрестных помех и портов, когда степень этих двух типов интегрированного помехосигнала будет периодически меняться с изменением фазы, что приводит к очевидной периодической вибрации степени по частоте.

Интенсивность перекрестных помех при изменении расстояния проводки

Когда расстояние проводки (L) 40 мм, толщина подложки (H) 0,3 мм и частота сигнала 2 ГГц и 5 ГГц, симуляционный результат интенсивности перекрестных помех при изменении расстояния проводки показан на рисунке 5.

На этой фигуре и ближние, и дальние перекрестные помехи уменьшаются по мере увеличения расстояния проводки. Когда расстояние проводки начинает увеличиваться от 1 мм, перекрестные помехи быстро снижаются, но с увеличением расстояния снижение перекрестных помех становится медленным. Очевидно, когда расстояние больше трехкратной ширины, перекрестные помехи между линиями не могут быть улучшены путем увеличения расстояния между линиями. Это потому, что когда две микрополосковые линии становятся слишком близкими, и взаимная емкость, и индуктивность становятся настолько заметными, что перекрестные помехи существенно возрастают.

Интенсивность перекрестных помех при изменении длины проводки

Когда расстояние проводки (D) 2,0 мм, толщина подложки (H) 0,3 мм и частота сигнала 1 ГГц и 5 ГГц, симуляционный результат интенсивности перекрестных помех при изменении длины показан на рисунке 6.

Согласно рисунку 6, когда частота сигнала 1 ГГц, интенсивность и ближних, и дальних перекрестных помех увеличивается с удлинением параллельной длины. Когда частота сигнала достигает 5 ГГц, интенсивность ближних перекрестных помех увеличивается с удлинением параллельной длины, а интенсивность дальних перекрестных помех вибрирует с удлинением параллельной длины. Это потому, что электрическая длина проводки больше на частоте 5 ГГц, чем на частоте 1 ГГц, и фазы емкостных и индуктивных перекрестных помех существенно дифференцируются на дальнем порту.

Интенсивность перекрестных помех при изменении расстояния между микрополосковой линией и экранирующей плоскостью

Для поддержания характеристического импеданса микрополосковой линии на 50 Ом, значение W/H должно быть сохранено 1,82. Поэтому в симуляционной модели соотношение между шириной линии и высотой экранирующей плоскости также сохраняется 1,82.

а. Когда длина проводки (L) 40 мм, расстояние между двумя линиями и их краями 1,0 мм и частота сигнала 2 ГГц и 5 ГГц, интенсивность перекрестных помех при изменении толщины экранирующей плоскости показана на рисунке 7.

Согласно рисунку 7, интенсивность перекрестных помех увеличивается с увеличением расстояния, особенно когда расстояние в диапазоне 0–0,4 мм, интенсивность перекрестных помех растет очень быстро, и скорость склоняется к замедлению с дальнейшим увеличением высоты. Когда H более 0,5 мм, интенсивность перекрестных помех в основном остается неизменной. Это потому, когда микрополосковая линия слишком близка к экранирующей плоскости, развязка между проводкой и экранирующей плоскостью становится настолько интегрированной, а развязка между проводками — настолько малой. Когда расстояние между микрополосковой линией и экранирующей плоскостью увеличивается, развязка между проводкой и экранирующей плоскостью становится слабой, а развязка между проводками растет. Однако с увеличением расстояния между микрополосковой линией и экранирующей плоскостью развязка между проводкой и экранирующей плоскостью становится настолько слабой, что мало влияет на развязку между проводками. На основе анализа выше, расстояние между линией передачи и экранирующей плоскостью должно быть сокращено настолько, насколько возможно, для лучшего снижения перекрестных помех.

б. Когда длина проводки (L) 40 мм, расстояние между линиями в два раза ширина линии и частота сигнала 2 ГГц и 5 ГГц, интенсивность перекрестных помех при изменении толщины экранирующей плоскости показана на рисунке 8.

Согласно рисунку 8, интенсивность перекрестных помех мало меняется с расстоянием между двумя линиями, кратным ширине линии.

На основе сравнения двух обстоятельств можно заключить, что с увеличением расстояния между микрополосковой линией и экранирующей плоскостью, если расстояние между линиями остается неизменным, интенсивность перекрестных помех будет увеличена, а если расстояние является стабильным кратным ширине линии, интенсивность перекрестных помех почти остается неизменной.

Стратегии проектирования печатных плат

На основе результата анализа выше, некоторые стратегии представлены ниже для снижения перекрестных помех между линиями передачи:

1. Для высокоскоростных цифровых печатных плат следует выбирать компоненты, чья скорость переднего и заднего фронтов тактового сигнала относительно медленная, чтобы частота сигнала могла быть снижена.
2. Должна избегаться параллельная компоновка на большом расстоянии.
3. Расстояние между двумя линиями должно быть увеличено.
4. Должно использоваться многослойное проектирование печатных плат, чтобы высота между линией передачи и экранирующей плоскостью могла быть уменьшена. Если должны использоваться печатные платы с более высокой экранирующей плоскостью, расстояние между линиями передачи должно быть увеличено.

Полезные ресурсы

• 3 техники трассировки на проектировании высокоскоростных сигнальных схем печатных плат
• Техники трассировки высокоскоростных печатных плат для снижения влияния ЭМИ
• Метод подавления отражения сигнала в компоновке высокоскоростных печатных плат
• Недопонимания и стратегии в проектировании высокоскоростных печатных плат
• 7 распространенных проблем высокочастотных и высокоскоростных многослойных печатных плат и их решения
• Полнофункциональный сервис производства печатных плат от PCBCart — множество ценностных опций
• Продвинутый сервис монтажа печатных плат от PCBCart — от 1 штуки