А-КОНТРАКТ на выставке ЭкпоЭлектроника – 2019

С 15 по 17 апреля компания А-КОНТРАКТ в очередной раз принимала участие в самой крупной российской выставке электронных компонентов, модулей и...

Далее

Системный подход к контролю качества изделий РЭА на контрактном производстве.

автор Сергей Патрушев |

Читайте новую статью директора по качеству А-КОНТРАКТ, опубликованную в журнале Технологии в электронной промышленности, № 2, 2019 г.

Далее

Концепции целостности сигнала: перекрестные помехи. Часть 1.

автор Mentor, A Siemens Business |

Введение

Одной из самых распространенных проблем, касающихся целостности сигнала, с которой сталкиваются инженеры, - это перекрестные помехи. Они проникают в любую разработку. Перекрестные помехи – это электромагнитные помехи между двумя сигналами, они могут вызвать кратковременные внезапные изменения фазы сигнала, ложное переключение и проблемы с синхронизации. В данной статье мы расскажем об основных принципах перекрестных помех и обсудим, что можно сделать, чтобы уменьшить их.

 

Чтобы ответить на вопрос «может ли сеть оказаться жертвой перекрестных помех», мы обратимся к коренной причине перекрестных помех и упростим фундаментальных принцип до емкостной связи и индуктивной связи между двумя сигналами.

Объяснив фундаментальную базу, мы изучим перекрестные помехи более детально, чтобы понять разницу между перекрестными помехами на ближнем конце и перекрестными помехами на дальнем конце. Как вы увидите, каждый тип перекрестных помех имеет свою индивидуальную электрическую подпись, которая может помощь проектировщикам идентифицировать это явление просто посмотрев на временное моделирование перехода.

Корневая причина

Обычно треть бюджета на работу с шуми в проекте отдается шуму, получаемому от перекрестных помех, поэтому очень важно изучить перекрестные помехи в процессе анализа целостности сигнала разработки.

Чтобы решить проблему перекрестных помех, важно понять корневую причину. Связывание между двумя линиями трансмиссии происходит из-за краевых электрических полей (Е-поля) и магнитных полей (Н-поля). Когда сигнал проникает в линию трансмиссии, он создает поля, как показано на Рис.1. Е-поля (синие) – это линии, выходящие из сигнала и возвратных путей, по которым сигнал распространяется и связывается со всем окружающим металлом. Это Е-поле будет индуцировать напряжение на любых проводниках, лежащих внутри поля. Таким же образом, сигнал также генерирует Н-поля, которые индуцируют ток на окружающем металле.

Рис. 1. Связывание между линиями Е-поля (синие) и петлями Н-поля (красные)

Механизм связывания может также быть описан с помощью обоюдных индукций и емкостей. Петля возвратного пути сигнала имеет индуктивность петли. Любые две петли в реальной близости будут иметь петлю обоюдной индуктивности между ними. Сигнал, несущий изменяющийся во времени ток, di/dt, будет соединяться от одной петли к другой через эту обоюдную индуктивность. Также это же сигнал будет иметь изменяющееся во времени напряжение, dV/dt, и это будет соединяться емкостно с соседними дорожками.

Основываясь на этом, важно помнить, что так как сигнал распространяется вниз по дорожке, связывание имеет место в месте края перехода, где находятся dV/dt и dl/dt. По мере распространения сигнала край будет иметь пространственную протяжённость вдоль межсоединения. Будет это спадающий или возрастающий край, изменяющиеся во времени поля существуют там, где есть край. Часть сигнала в стабильном состоянии не создает связывания, так как она не содержит изменяющихся во времени напряжений или токов. Важно отметить, что как только сигнал связался с дорожкой как шум, шум будет разделяться и распространяться в обоих направлениях, что показано на Рис.2.

Рис.2. Связанный сигнал на крае переключения сигнала.

Перекрестные помехи на ближнем конце и перекрестные помехи на дальнем конце

Шум перекрестных помех однажды возникнув на линии будет распространяться в сторону обоих концов спокойной линии. Когда он достигнет концов, сигнатура колебаний сигналов, появляющаяся на обоих концах, будет совершенно различной. Чтобы отличать эти концы, мы будем называть конец рядом с источником ближним концом. Так как шум, появляющийся в ближнем конце распространился в обратном направлении относительно направления распространения сигнала, мы также будем называть этот конец обратным концом.

Шум, появляющийся на конце далеком от источника назовем шумом на дальнем конце, и таким же образом он распространяется в том же направлении, что и направление распространения сигнала.

Чтобы исследовать эти сигнатуры, посмотрим на схему на Рис.3. Слева находится пара связанных микрополосковых линий с 5-мил зазором от края до края между ними. К верхней линии TL1 прикреплена модель драйвера, она будет сетью агрессором. Нижняя линия, TL2, будет сетью жертвой.

Справа показана пара связанных полосковых линий также с зазором 5 мил от края до края. Верхняя линия TL3 – сеть агрессор, нижняя TL4 – сеть жертва. Все линии трансмиссии заканчиваются 50 Ом, чтобы избежать каких-либо эффектов от отражений. Все линии трансмиссии длиной 10 дюймов, микрополосковые имеют задержку времени (TD) 1.541 нс, а полосковые линии имеют задержку времени 1.757 нс. Используемый драйвер имеет время нарастания 10-90 и время спада 10-90 198 /с. Это значит, что связанные длины по меньшей мере в 8 раз превышают время нарастания сигнала агрессора, тем самым давая множество возможностей для связывания.

Чтобы разобраться в этом, нужно определить два термина. Перекрестные помехи на ближнем конце или NEXT – это тот шум, который измеряется на выводе сети жертвы, который находится рядом с драйвером сети агрессора (в нашем случае это выводы R3 и R6). Перекрестные помехи на дальнем конце или FEXT – это шум, измеряемые в сети жертвы далеко от драйвера и рядом с ресивером сети агрессора (в нашем случае выводы R2 и R5).

Так как край сигнала распространяется вниз по связанной зоне между двумя дорожками, он постоянно индуцирует напряжение и ток в сети жертвы. При каждом приращении распространяющийся край будет индуцировать конечный объем шума и затем происходит новый шаг и индуцируется еще больше шума. Эти небольшие увеличения шума обведены красным на Рис.4.

Рис. 3. Схемы слева показывают связанные микрополосковые линии, справа связанные полосковые линии.

Справа показана пара связанных полосковых линий также с зазором 5 мил от края до края. Верхняя линия TL3 – сеть агрессор, нижняя TL4 – сеть жертва. Все линии трансмиссии заканчиваются 50 Ом, чтобы избежать каких-либо эффектов от отражений. Все линии трансмиссии длиной 10 дюймов, микрополосковые имеют задержку времени (TD) 1.541 нс, а полосковые линии имеют задержку времени 1.757 нс. Используемый драйвер имеет время нарастания 10-90 и время спада 10-90 198 /с. Это значит, что связанные длины по меньшей мере в 8 раз превышают время нарастания сигнала агрессора, тем самым давая множество возможностей для связывания.

Чтобы разобраться в этом, нужно определить два термина. Перекрестные помехи на ближнем конце или NEXT – это тот шум, который измеряется на выводе сети жертвы, который находится рядом с драйвером сети агрессора (в нашем случае это выводы R3 и R6). Перекрестные помехи на дальнем конце или FEXT – это шум, измеряемые в сети жертвы далеко от драйвера и рядом с ресивером сети агрессора (в нашем случае выводы R2 и R5).

Так как край сигнала распространяется вниз по связанной зоне между двумя дорожками, он постоянно индуцирует напряжение и ток в сети жертвы. При каждом приращении распространяющийся край будет индуцировать конечный объем шума и затем происходит новый шаг и индуцируется еще больше шума. Эти небольшие увеличения шума обведены красным на Рис.4.

Рис. 4. Связывание краев сигнала в жертву (Источник: www.bethesignal.com)

На ближнем конце, выводы R3 или R6, поступает небольшое приращение шума один за другим и создает широкий импульс. Посмотрите на пунктирный эллипс на Рис.4. С другой стороны на дальнем конце, выводы R2 или R5, приращения шума затеняют распространяющийся край. При постоянном добавлении шума при каждом приращении, приращения шума накладываются, и результирующий шум на дальнем конце будет выглядеть как импульс, как обведенный пунктирным эллипсом на Рис. 4. Знание того, что эти две сигнатуры FEXT и NEXT различны, может помочь выявить перекрестные помехи в конкретной форме волны.

На Рис.5 показана симуляция нарастающего фронта импульса. Для случая с микрополосковой линией, красный график показывает NEXT на выводе R3. Как и ожидалось, он показывает широкий импульс с пиком 42 мВ. Выход U1.AF24 переключается до 800 мВ, поэтому сумма шума на ближнем конце на TL2 составляет 40/800 = 5%.

На дальнем конце шум на R2 изображен синим графиком. Он показывает -360-мВ отрицательный пик, за которым следует другое колебание в форме волны, которое обведена пунктирной линией. Давайте кратко остановимся на источнике этого колебания.

Источник: mentor.com

 

 

Рис. 5. Перекрестные помехи из-за нарастающего фронта импульса. Для микрополосковой линии: красный, NEXT на R3, синий FEXT на R2. Для полосковой линии: оранжевый NEXT на R6, зеленый FEXT на R5.

Назад