Телефон
+7 (812) 703-00-55
Почта
info@acont.ru
Адрес
Санкт-Петербург, БЦ «Красная Нить»
Как заказать
О нас
Решения
Новости
Контакты
Поиск
En

Как бороться с перекрёстными помехами в высокоскоростных печатных платах

| Статьи Печатные платы Проектирование печатных плат

Перекрёстные помехи (Crosstalk) возникают, когда высокоскоростные сигналы одного канала из-за краевых электрических и магнитных полей создают непреднамеренную связь с другими — внутренними или внешними — сигналами.  Сигнал-«агрессор» с большей амплитудой сигнала воздействует на трассу-«жертву» с меньшей амплитудой, что приводит к ряду проблем на печатных платах, включая выбросы напряжения (пернапряжение), сбои в работе логических элементов и временны́е задержки (задержки синхронизации). В статье, переведённой с английского специалистами А-КОНТРАКТ, рассматриваются основные причины возникновения перекрёстных помех и технические приёмы для их устранения. Публикация будет интересна разработчикам печатных плат и инженерам производств, выполняющим подготовку конструкторской документации проектов перед изготовлением плат.

Ключевые положения:

  • Перекрёстные помехи возникают вследствие связи через общий импеданс и электромагнитной связи (ёмкостной и индуктивной).
  • Для обнаружения помех используются осциллографы, глазковые диаграммы, рефлектометры во временной области (TDR) и анализ S-параметров.
  • Для предотвращения помех применяются следующие стратегии: правило «3W» при трассировке, защитные (экранирующие) дорожки и сплошной слой заземления.

На рис. 1 представлена инфографика с шестью основными принципами проектирования для минимизации перекрёстных помех в печатных платах:

Рис.1 Шесть принципов снижения перекрёстных помех в проектах печатных плат
Рис.1 Шесть принципов снижения перекрёстных помех в проектах печатных плат

Почему перекрёстные помехи создают шум в системе

Перекрёстные помехи подразделяются на связь через общий импеданс и электромагнитную связь. Связь через общий импеданс возникает, когда несколько сигналов используют общий обратный путь. Электромагнитная связь, в свою очередь, делится на ёмкостную и индуктивную — именно эти факторы представляют наибольшую проблему (рис.2).

Каждый электрический сигнал создаёт вокруг себя уникальное электромагнитное поле. Когда поля от соседних проводников перекрываются, возникает ёмкостная и индуктивная связь. Эта связь приводит к тому, что сигнал-«агрессор» воздействует на сигнал-«жертву», даже если они не имеют физического контакта, но находятся в близком расположении.

Рис. 2 Причиной перекрёстных помех являются взаимная ёмкость и взаимная индуктивность
Рис. 2 Причиной перекрёстных помех являются взаимная ёмкость и взаимная индуктивность

Классический анализ перекрёстных помех «на бумаге» не только сложен, но и чрезвычайно трудоёмок. Практический подход заключается в оценке связи через эквивалентные элементы цепи: связь, обусловленную краевыми электрическими полями, аппроксимируют с помощью конденсатора (взаимная ёмкость), а связь, вызванную краевыми магнитными полями, — с помощью катушки индуктивности (взаимная индуктивность).

Ёмкостная связь, обусловленная изменением электрического поля

Две трассы, расположенные параллельно в одной плоскости, функционируют как обкладки конденсатора, разделённые диэлектриком. Изменение электрического поля между линией-«агрессором» и линией-«жертвой» моделируется в виде конденсатора. Известно, что при изменении напряжения на конденсаторе изменяется и его электрическое поле, что приводит к возникновению тока смещения. В данном случае этот ёмкостно связанный ток и представляет собой перекрёстную помеху, а сам эффект известен как паразитная ёмкость (рис 3).

Рис. 3 Ёмкостная связь, обусловленная изменением электрического поля
Рис. 3 Ёмкостная связь, обусловленная изменением электрического поля

Индуктивная связь через концентрические магнитные поля

Магнитная (индуктивная) связь определяется тем, как концентрические магнитные поля, создаваемые линией-«агрессором», охватывают трассу-«жертву». Изменение магнитного поля между «агрессором» и «жертвой» вызывает изменение тока проводимости. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, это изменение индуцирует напряжение на линии-«жертве». Данное наведённое напряжение создаёт ток, который проявляется в виде перекрёстной помехи.

Паразитная связь между слоями (Broadside Coupling)

Обычно перекрёстные помехи возникают между двумя соседними трассами на одном слое. Помимо этого, к помехам также приводит расположение параллельных трасс на соседних слоях, разделённых тонким диэлектриком. Этот эффект называется паразитной связью между слоями или поперечным взаимодействием (broadside coupling).

Типы перекрёстных помех

Перекрёстные помехи классифицируют по нескольким признакам:

  1. Классификация по направлению распространения помехи относительно сигнала-«агрессора» (рис 4)
  • Прямая помеха (Forward crosstalk): Распространяется в том же направлении, что и сигнал-«агрессор».
  • Обратная помеха (Backward crosstalk): Распространяется в направлении, противоположном сигналу-«агрессору».
Рис. 4 Прямая, обратная, помеха на ближнем и дальнем конце
Рис. 4 Прямая, обратная, помеха на ближнем и дальнем конце

2. Классификация по зоне измерения на линии-«жертве»

  • Помеха на ближнем конце (Near-End Crosstalk, NEXT) 
    Шум, измеряемый со стороны источника (драйвера) линии-«жертвы».
  • Помеха на дальнем конце (Far-End Crosstalk, FEXT) 
    Возмущение, измеряемое со стороны приёмника (ресивера) линии-«жертвы».

3. Классификация по способу количественной оценки (суммарные помехи)

  • Суммарная мощность помех на ближнем конце (Power-Sum NEXT, PS-NEXT) 
    Параметр PS-NEXT определяет суммарную помеху от всех соседних пар проводников и измеряет совокупную мощность всех парных взаимодействий. Представляет собой абсолютную или относительную мощность NEXT.
  • Суммарная мощность помех на дальнем конце (Power-Sum FEXT, PS-FEXT) 
    Параметр PS-FEXT определяет абсолютную или относительную суммарную мощность FEXT.
  • Суммарная мощность равноуровневых помех (Power-Sum Equal-Level Crosstalk, PS-ELFEXT) 
    Определяется как сумма PS-NEXT и PS-FEXT.

4. Внешняя помеха (Alien Crosstalk)

Это явление возникает, когда на сигнал-«жертву» воздействуют множественные мешающие сигналы разных частот (рис 5). Ситуация усугубляется с увеличением полосы пропускания для обеспечения более быстрого отклика. Экранирования не всегда хватает для предотвращения таких помех. Для анализа внешних помех можно использовать рефлектометр во временной области (TDR). Подробнее об этом — в нашей статье о принципах измерений импеданса с помощью TDR.

Рис. 5 Внешняя перекрёстная помеха (Alien Crosstalk)
Рис. 5 Внешняя перекрёстная помеха (Alien Crosstalk)

Ключевые выводы:

  • Ёмкостная связь возникает из-за изменения электрического поля между параллельными трассами и моделируется как конденсатор.
  • Индуктивная связь обусловлена изменением магнитного поля вокруг трасс, которое наводит напряжение на линии-«жертве» в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея.
  • Прямая помеха распространяется в направлении сигнала-«агрессора», а обратная помеха — в противоположном.
  • Помеха на ближнем конце (NEXT) возникает со стороны источника, а помеха на дальнем конце (FEXT) — со стороны приёмника сигнала-«жертвы».

Методика расчёта помех на ближнем и дальнем конце

Помеха на ближнем конце (NEXT) определяется как отношение напряжения, измеренного на ближнем конце (со стороны передатчика) линии-«жертвы», к напряжению в линии-«агрессоре».
Для расчёта NEXT можно использовать следующую формулу:

NEXT = Vb / Va = ¼ (CmL / CL + LmL / LL )

Где:

Vb — напряжение на ближнем конце (со стороны драйвера) линии-жертвы;

Va — напряжение в линии-агрессоре;

CmL — взаимная ёмкость на единицу длины;

LmL — взаимная индуктивность на единицу длины;

CL — собственная ёмкость линии на единицу длины;

LL — собственная индуктивность линии на единицу длины.

Помеха на дальнем конце (FEXT) определяется как отношение напряжения на дальнем конце (со стороны приёмника) линии-«жертвы» к напряжению в линии-«агрессоре». Её величина зависит от времени распространения сигнала в линии-«агрессоре» (v), длины трассы (Len), времени нарастания сигнала (RT), а также от взаимной ёмкости и индуктивности. Коэффициент Kf в формуле называется коэффициентом FEXT.

FEXT = Vf / Va = (Len / RT) × Kf = (Len / RT) × (1 / (2v)) × (CmL / CL – LmL / LL )

Где

Kf = (1 / (2v)) × (CmL / CL – LmL / LL ) — коэффициент FEXT.

Возникновение перекрёстных помех в дифференциальной паре

Рис. 6 Перекрёстные помехи в дифференциальной паре
Рис. 6 Перекрёстные помехи в дифференциальной паре
Рис. 7 Сравнение влияния синфазных и дифференциальных перекрёстных помех в зависимости от частоты
Рис. 7 Сравнение влияния синфазных и дифференциальных перекрёстных помех в зависимости от частоты

При возникновении любого дисбаланса в дифференциальной системе поля перестают полностью компенсироваться и начинают излучаться пропорционально этой асимметрии. Аналогично, внешние электромагнитные поля могут наводить в дифференциальной паре токи, не равные по амплитуде и не противоположные по фазе. Результирующий ток называется синфазным током. Синфазная перекрёстная помеха оказывает более негативное влияние на работу системы, чем помеха в дифференциальном режиме (рис.6 и рис. 7).

Методы выявления перекрёстных помех в проектах печатных плат

Обнаружение перекрёстных помех в конструкции печатной платы требует использования специализированных инструментов и методик для измерения и анализа паразитной связи между соседними трассами.

Построение глазковой диаграммы с помощью осциллографа

Осциллограф является одним из ключевых инструментов для выявления перекрёстных помех. Ниже описана методика его применения для обнаружения и анализа данного явления.

  1. Расположите пробники. Используйте высококачественные пробники, подключённые к каналам осциллографа. Установите пробники в конкретных точках платы, где предполагается наличие перекрёстных помех.
  2. Сконфигурируйте каналы. Настройте каналы осциллографа для одновременного отображения сигналов с трассы-«жертвы» и трассы-«агрессора». Для лёгкого визуального различия назначьте сигналам разные цвета или стили отображения.
  3. Одиночные и дифференциальные измерения. Для работы с дифференциальными сигналами применяйте дифференциальные пробники. Это позволяет корректно измерять разностное напряжение между двумя линиями пары и получать более точные результаты для дифференциально-управляемых сигналов.
  4. Глазковые диаграммы. Используйте функцию осциллографа для построения глазковых диаграмм высокоскоростных цифровых сигналов. Глазковая диаграмма даёт визуальное представление о качестве сигнала. Перекрёстные помехи искажают её форму, вызывая частичное или полное «закрытие глаза». Закрытая диаграмма свидетельствует о низкой целостности сигнала, вызванной помехами.

На рис. 8 представлена инфографика, демонстрирующая, как глазковая диаграмма используется для анализа целостности сигнала.

Рис. 8 Анализ целостности сигнала в проектах печатных плат с помощью глазковой диаграммы.
Рис. 8 Анализ целостности сигнала в проектах печатных плат с помощью глазковой диаграммы.

Использование TDR для выявления неоднородности импеданса, вызванной перекрёстными помехами

Рис. 9 Измерение неоднородности импеданса на печатных платах с помощью TDR
Рис. 9 Измерение неоднородности импеданса на печатных платах с помощью TDR

Когда импульс, посылаемый рефлектометром (TDR), встречает изменение импеданса, вызванное перекрёстной помехой, часть импульса отражается обратно к источнику. Эти отражения создают выбросы на временной диаграмме TDR (рис 9).

Амплитуда отражённого сигнала указывает на степень влияния перекрёстных помех. Кроме того, временная задержка между исходным импульсом и отражённым несёт информацию о расстоянии от точки подключения прибора до источника помехи. Зная скорость распространения сигнала в линии передачи, можно рассчитать физическое расстояние до места возникновения перекрёстной помехи.

S-параметры

Рис.10 Анализ S-параметров с помощью VNA
Рис.10 Анализ S-параметров с помощью VNA
Рис.11 16 S-параметров для Четырёхпортовой сети
Рис.11 16 S-параметров для Четырёхпортовой сети
Рис.12 Результаты измерений VNA (Le Croy). Источник изображения: EDN
Рис.12 Результаты измерений VNA (Le Croy). Источник изображения: EDN

S-параметры описывают сложное поведение сигналов в высокочастотных цепях. Каждый элемент их матрицы характеризует перекрёстную связь между любой парой портов. Их измерение выполняется с помощью векторного анализатора цепей (VNA) (рис. 10).

Четырёхпортовое устройство (ИУ) имеет в общей сложности 16 S-параметров, разделённых на четыре квадранта. Параметры в правом верхнем квадранте 2 и левом нижнем квадранте 3 описывают связь на ближнем и дальнем конце между портами. Нежелательная связь на ближнем конце передающего порта называется перекрёстной помехой на ближнем конце (NEXT), а связь на дальнем конце — перекрёстной помехой на дальнем конце (FEXT) (рис. 11).

На примере анализатора целостности сигналов Le Croy (рис 12) видно, что хотя параметры S31 и S41 измеряют помеху на одной и той же линии-«жертве» от одного и того же «агрессора», их значения различаются.

В обоих случаях вертикальный масштаб составляет 40 дБ на всю шкалу, тогда как горизонтальный масштаб для левого графика — 1 ГГц на всю шкалу, а для правого — 20 ГГц.

Ключевые выводы:

  • Частично или полностью закрытая глазковая диаграмма указывает на наличие перекрёстных помех и низкую целостность высокоскоростных цифровых сигналов.
  • Рефлектометр во временной области (TDR) обнаруживает изменения импеданса, вызванные перекрёстными помехами.
  • Помехи на ближнем (NEXT) и дальнем (FEXT) конце определяются по значениям конкретных элементов матрицы S-параметров (например, S31 и S41).

Семь правил проектирования для снижения перекрёстных помех в печатных платах

1. Заземляющий слой должен быть соседним с сигнальными и силовыми слоями

Соблюдайте следующие правила при проектировании стека платы:

  • Заземляющие слои чередуются (располагаются на ближайших проводящих слоях) с сигнальными и силовыми слоями.
  • Всегда обеспечивайте симметричность структуры (рис. 13).
  • Размещайте силовые слои между двумя заземляющими слоями. Это обеспечит равномерное распределение силовых цепей по всей толщине стека.
Рис. 13 Симметричная структура стека печатной платы
Рис. 13 Симметричная структура стека печатной платы

2. Обеспечьте оптимальное расстояние между трассами и компонентами

Расстояния, разделяющие как соседние трассы, так и трассы и близлежащие компоненты, должны быть достаточно большим, чтобы исключить риск возникновения перекрёстных помех. Общее правило гласит, что такое расстояние должно быть равно трём ширинам трассы (правило «3W») (рис 14).

Рис.14 Расстояние «3W» между критическими трассами
Рис.14 Расстояние «3W» между критическими трассами

3. Размещайте трассы под прямым углом к трассам на соседних слоях

Слои печатной платы должны быть организованы таким образом, чтобы трассы на смежных слоях были перпендикулярны друг другу, что предотвращает паразитную связь между слоями (broadside coupling). Конкретнее: если трассы на одном слое ориентированы в направлении «север-юг», трассы на прилегающих слоях должны быть ориентированы «восток-запад».

4. Добавляйте защитные (экранирующие) трассы для защиты критических сигналов от перекрёстных помех

Защитные трассы создают физический барьер между уязвимой трассой (например, тактовой) и соседними сигнальными трассами (рис. 15). Они защищают сигнальную линию от нежелательной электромагнитной связи и подавляют излучаемые помехи от тактовой цепи. Защитные трассы должны быть подключены к плоскости заземления или выделенному опорному напряжению. Кроме того, необходимо обеспечить расстояние не менее 3W–5W между трассами такого рода.

Рис.15 Защитные трассы экранируют критические сигнальные трассы
Рис.15 Защитные трассы экранируют критические сигнальные трассы

5. Размещайте критические сигналы на внешних слоях

Критические сигналы, такие как РЧ-трассы, следует разводить на внешних слоях (верхнем и нижнем), где обычно размещаются компоненты. Это позволяет избежать прохождения сигналов через лишние переходные отверстия, сокращает длину шлейфов переходных отверстий и снижает риск возникновения перекрёстных помех.

6. Размещайте силовые цепи не менее чем в 50 милах (1.27 мм) от края платы

Размещение силовых полигонов или трасс вблизи краёв платы может вызвать перекрёстные помехи в соседних слоях. Необходимо обеспечить зазор не менее 50 милов (1.27 мм) между силовой цепью и краем платы (рис. 16). Это пространство действует как барьер, ослабляет влияние электромагнитных полей и снижает риск помех.

Рис. 16 Зазор между силовой трассой и краем платы
Рис. 16 Зазор между силовой трассой и краем платы

7. Не разрывайте сплошные плоскости земли

Рис.17 Не должно быть разрывов в плоскости земли
Рис.17 Не должно быть разрывов в плоскости земли
Рис. 18 Переходные отверстия рядом с сигнальными переходными отверстиями
Рис. 18 Переходные отверстия рядом с сигнальными переходными отверстиями

Соблюдайте следующие методы заземления для снижения перекрёстных помех:

  • Делайте обратные пути и площади контуров как можно меньше. Меньшая площадь контура означает меньшую площадь, через которую изменяющиеся магнитные поля могут связываться с соседними трассами, что минимизирует помехи.
  • Никогда не выполняйте разрывов в сплошных плоскостях заземления (рис. 17). Такое разделение плоскости может создать множественные контуры заземления, в это лишние пути для протекания паразитных токов. Контуры заземления приводят к наводкам, помехам и нестабильной работе схемы.
  • При смене опорного (референсного) слоя для сигнала размещайте переходные (заземлённые) переходные отверстия в непосредственной близости от сигнальных переходных отверстий (рис. 18). Это минимизирует индуктивность в пути возврата тока. Более короткий путь снижает индуктивность, обеспечивая низкоимпедансный обратный путь для сигнала.
  • Создавайте выделенные опорные плоскости для высокоскоростных и критических сигналов. Сплошная опорная плоскость поглощает краевые электрические и магнитные поля.
  • Заполняйте все неиспользуемые области платы заземлёнными медными полигонами.
  • Применяйте сшивание переходами (via stitching), при котором множественные переходные отверстия соединяют медные области на разных заземляющих и силовых слоях (рис.19). Этот метод обеспечивает кратчайший путь возврата с минимальным импедансом для многослойных структур и сокращает площадь контура. Расстояние между переходами должно составлять не более 1/10 длины волны максимальной частоты, от которой требуется защита.

Ключевые выводы:

  • Размещайте заземляющие слои на соседних с сигнальными и силовыми слоях
  • Соблюдайте правило «3W» для расстояния между соседними трассами.
  • Вводите защитные трассы для физического разделения критических сигналов.
  • Критические сигналы (например, РЧ) разводите на внешних слоях.
  • Избегайте разрывов в плоскостях земли для предотвращения появления лишних контуров заземления.
  • Используйте переходные отверстия рядом с сигнальными для минимизации индуктивности в пути возврата тока.
  • Применяйте сшивающие переходы из множества отверстий, соединяющих заземляющие и силовые полигоны на разных слоях.
Рис.19 Сшивающие переходы (Шитьё переходами — Via stitching)
Рис.19 Сшивающие переходы (Шитьё переходами — Via stitching)

Перекрёстные помехи в микрополосковых и полосковых линиях

Ёмкостно связанный ток распространяется как в прямом, так и в обратном направлении. Импульс тока в прямом направлении по времени совпадает с сигналом-«агрессором», в результате чего помеха на дальнем конце (FEXT) усиливается за счёт ёмкостной связи. Обратный ток циркулирует в линии, создавая длительную помеху на ближнем конце (NEXT) той же величины. В обоих направлениях эти импульсы напряжения являются положительными.

Индуктивно связанный ток циркулирует по часовой стрелке. Процессы на ближнем и дальнем конце аналогичны ёмкостной связи за исключением того, что импульс напряжения, создающий помеху на дальнем конце в прямом направлении, является отрицательным.

На рисунке 20 схематично изображены перекрёстные помехи в микрополосковых и полосковых линиях

Рис.20 Перекрёстные помехи в микрополосковых и полосковых линиях
Рис.20 Перекрёстные помехи в микрополосковых и полосковых линиях

В симметричной полосковой линии (stripline) среда выше и ниже сигнального проводника однородна. Поэтому результирующие помехи на дальнем конце от ёмкостной и индуктивной связи взаимно компенсируются. В случае же микрополосковой линии (microstrip) над проводником находится воздух, а под ним — диэлектрик. Эта неоднородность среды приводит к увеличению уровня помех на дальнем конце. Поскольку диэлектрик является основной причиной электрической связи, уменьшение ёмкостной связи в микрополосковой линии может, как ни парадоксально, приводить к росту FEXT.

Заключение

Перекрёстные помехи могут вызывать ряд проблем в печатных платах: выбросы напряжения, логические сбои и временны́е задержки. Для их обнаружения применяются осциллографы, рефлектометры во временной области (TDR) и анализ S-параметров. Для подавления помех необходимо оптимизировать расстояния между трассами, использовать защитные экранирующие трассы и обеспечивать корректную организацию заземления. Понимание особенностей возникновения помех в микрополосковых и полосковых линиях позволяет принимать более обоснованные проектные решения для минимизации наводок и сохранения целостности сигнала.

Комментирует Сергей Шихов, директор по управлению проектами, А-КОНТРАКТ

В статье приведена лишь часть проблем, связанных с обеспечением целостности сигналов и способами борьбы с перекрёстными помехами. Разработчикам высокочастотных и высокоскоростных устройств следует обратить пристальное внимание на углублённое изучение данного вопроса.

Связанные файлы

Задать вопрос