Как уменьшить перекрестные помехи в многослойных печатных платах

Опубликовано в номере:
PDF версия
В статье рассматриваются характеристики перекрестных помех в микрополосковой и полосковой линии передачи, а также способы их подавления.

Перекрестные помехи возникают в результате взаимодействия электромагнитных полей. В настоящее время наблюдается тенденция к созданию более компактных и быстрых плат с более низкими напряжениями питания ИС. Однако при уменьшении напряжения питания с 3,3 до 1,5 В допустимый запас по помехоустойчивости также сокращается. Кроме того, чем ближе расположены параллельные сегменты проводников из-за ограниченного пространства, тем выше вероятность их взаимодействия. Отражения, создаваемые перекрестными помехами, нарушают устойчивость к их воздействию. Разработчики печатных плат не могут устранить перекрестные помехи, но в состоянии оценить их предполагаемый уровень и создать топологию, позволяющую свести помехи к минимуму.

Перекрестные помехи распространяются в трехмерном пространстве. Их величина зависит от зазора между сигнальными проводниками, расстояния между проводниками и слоями, длины параллельных сегментов, нагрузки линии передачи и используемой технологии. Перекрестные помехи также различаются в зависимости от многослойной конфигурации (стека). Мы рассмотрим характеристики перекрестных помех в микрополосковых и полосковых линиях передачи, а также способы их подавления.

Перекрестные помехи в этих линиях возникают в результате связи между краями микрополосковых и полосковых линий, а также из-за поперечной связи между двойными полосковыми линиями и комбинации поперечной и краевой связей в двойных полосковых линиях.

Как известно, микрополосковая линия передачи состоит из сигнальных проводников на внешней поверхности печатной платы (рис. 1а), а ее внутренние сигнальные слои образуют полосковую линию (рис. 1б). При этом слева на обоих рисунках находятся проводники–жертвы – сигнальные слои, испытывающие воздействие проводников–агрессоров.

Микрополосковая линия передачи

Рис. 1.
а) микрополосковая линия передачи;
б) полосковая линия передачи

Две первые конфигурации с краевой связью хорошо известны – они обычно используются для создания дифференциальных пар. Тесная связь между проводниками применяется для улучшения балансировки, а также для подавления шума, но она усугубляет воздействие перекрестных помех. Две другие конфигурации с поперечной связью (рис. 2) имеют много недостатков: главным из них является требование обеспечить при изготовлении плат тождественность проводников в разных слоях.

Пример конфигурации слоев с краевой и поперечной связью

Рис. 2. Пример конфигурации слоев с краевой и поперечной связью

Стандарт IPC Class 3 устанавливает, что погрешность совмещения проводников дифференциальной пары на двух соседних слоях не должна превышать ±2 мил (0,0508 мм), но на практике это требование может не выполняться, и разброс достигает, например, ±4 мил (0,1016 мм), что отражается на импедансе. Кроме того, широкополосная связь требует использования диэлектрика очень большой толщины между соседними сигнальными слоями, что обычно делает подложку слишком толстой. С другой стороны, такой подход может оказаться хорошим решением для реализации распайки разъема, когда импеданс сохраняется неизменным без использования опорного слоя. Комбинация поперечной и краевой связи требует использования диэлектрика меньшей толщины, но в таком случае очень трудно установить, каким станет импеданс из-за проблем, возникающих вследствие разброса размеров проводников.

Перекрестные помехи бывают двух типов: прямыми и обратными. Их также называют перекрестными помехами на дальнем конце линии передачи (FEXT) и на ее ближнем конце (NEXT) в зависимости от того, где эти помехи измеряются, – на нагрузке или приемнике, соответственно (рис. 3).

Прямые и обратные перекрестные помехи

Рис. 3. Прямые и обратные перекрестные помехи

Уникальное свойство полосковой конфигурации заключается в том, что отношение взаимной емкости Cm к суммарной емкости Ctot равно отношению взаимной индуктивности Lm к суммарной индуктивности Ltot, что исключает составляющую прямого перекрестного шума Kf в соответствии с уравнением (1). Поскольку обратная перекрестная помеха Kb в уравнении (2) является сложением двух отношений, она всегда присутствует в той или иной степени:

Формула

На рис. 4 показаны перекрестные помехи на ближнем и дальнем концах микрополосковой конфигурации, в которой проводники–жертвы соседствуют с проводником–агрессором (1,5 В при 1 ГГц). В этом случае ширина проводников составляет 4 мил, их импеданс – 40 Ом, а интервал – 4 мил. Перекрестные помехи быстро уменьшаются пропорционально квадрату расстояния, а степень их воздействия зависит от напряжения сигнала агрессора, расстояния между сегментами проводников и их расположения относительно слоев.

Переходные помехи на ближнем и дальнем концах микрополосковой линии с шириной проводника/зазором 4/4 мил

Рис. 4. Переходные помехи на ближнем и дальнем концах микрополосковой линии с шириной проводника/зазором 4/4 мил

В микрополосковой конфигурации взаимоемкостная связь между соседними проводниками обычно слабее взаимоиндуктивной связи, в силу чего коэффициент FEXT является отрицательным, что видно по результатам моделирования. Однако прямые перекрестные помехи не существуют в полосковой конфигурации. Точный баланс между перекрестными помехами с индуктивной и емкостной связью практически исключает прямую перекрестную помеху (рис. 5). На рис. 5 показана перекрестная помеха на ближнем конце полосковой конфигурации в случае, когда ширина проводников составляет 4 мил, импеданс — 40 Ом, а зазор — 4 мил. Заметим, что компонент шума FEXT отсутствует. Кроме того, пиковая амплитуда перекрестной помехи была значительно уменьшена. При прочих равных условиях это еще одна веская причина, по которой высокоскоростные сигналы следует всегда направлять по внутренним слоям многослойной печатной платы. Сигналы в полосковой линии с краевой связью можно ближе размещать друг к другу по сравнению с их трассировкой в микрополосковой линии, освобождая больше места для размещения других проводников, что всегда приветствуется.

Перекрестная помеха в полосковой линии с шириной дорожки/зазором 4/4 мил

Рис. 5. Перекрестная помеха в полосковой линии с шириной дорожки/зазором 4/4 мил

Самый простой способ уменьшить перекрестную помеху от ближайшего сигнала–агрессора заключается в увеличении зазора между сигнальными проводниками. Перекрестные помехи очень быстро уменьшаются пропорционально квадрату расстояния. Например, удвоение интервала между проводниками позволяет сократить перекрестную помеху примерно до четверти от исходного уровня. Величина зазора между ними, как правило, должна в три раза превышать ширину проводника.

Однако в современных сложных проектах не всегда имеется возможность найти достаточно места на печатной плате, чтобы выполнить указанные требования. Кроме того, следует избегать использования разных технологий, поскольку более высокие напряжения создают перекрестные помехи большей амплитуды. Необходимо также избегать трассировки с длинными параллельными сегментами проводников. Из рис. 6 видно, как влияет краевая связь на перекрестные помехи в случае использования микрополосковой и полосковой линий. Заметим, что амплитуда перекрестной помехи в полосковой линии составляет примерно четверть амплитуды в микрополосковой. Кроме того, перекрестная помеха в микрополосковой линии излучается внешними слоями многослойной печатной платы, тогда как в полосковой линии воздействие электромагнитных полей между плоскостями имеет ограниченный характер.

Перекрестные помехи в зависимости от расстояния между проводниками (краевая связь)

Рис. 6. Перекрестные помехи в зависимости от расстояния между проводниками (краевая связь)

Величина перекрестных помех также зависит от нагрузки, которая может меняться в значительных пределах, например при работе с банками модулей памяти. Следует помнить, что общая перекрестная помеха каждого проводника–жертвы определяется суммой перекрестных помех, излучаемых несколькими ближайшими агрессорами.

И прямые, и обратные перекрестные помехи можно уменьшить, расположив проводник–агрессор подальше от проводника–жертвы или уменьшив высоту диэлектрического слоя над/под опорными плоскостями. Во втором случае также требуется уменьшить ширину проводника, чтобы сохранить импеданс неизменным. Если свободного места на печатной плате катастрофически не хватает, как это обычно бывает в плотных высокоскоростных конфигурациях, рекомендуется выполнить трассировку во внутренних слоях и исключить поперечную связь.


На заметку

  • Перекрестные помехи распространяются в трехмерном пространстве. Их величина зависит от зазора между сигнальными проводниками, проводниками и слоями, от длины параллельных сегментов, нагрузки линии передачи и используемой технологии.
  • Перекрестные помехи также зависят от многослойной конфигурации платы.
  • Тесная связь между проводниками применяется для улучшения балансировки, а также для подавления шума, но она усугубляет воздействие перекрестных помех.
  • Перекрестные помехи называются прямыми (FEXT) или обратными (NEXT) в зависимости от того, где они измеряются, – на нагрузке или приемнике, соответственно.
  • Уникальным свойством полосковой конфигурации является то, что отношение взаимной емкости к суммарной емкости равно отношению взаимной индуктивности к суммарной индуктивности, что устраняет прямую составляющую перекрестных помех.
  • Пиковая амплитуда перекрестных помех полосковой линии значительно меньше пиковой амплитуды микрополосковой линии.
  • Сигналы в полосковой линии с краевой связью можно ближе размещать друг к другу по сравнению с микрополосковой линией, освобождая место под другие проводники, что всегда приветствуется.
  • Самый простой способ уменьшить перекрестную помеху от ближайшего сигнала–агрессора заключается в увеличении зазора между сигнальными проводниками.
  • Следует избегать использования разных технологий, поскольку более высокие напряжения создают перекрестные помехи большей амплитуды.
  • Следует избегать близкого расположения параллельных сегментов проводников и поперечной связи между ними.
  • Амплитуда перекрестной помехи в полосковой линии составляет примерно четверть амплитуды в микрополосковой.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *