Strategie per la progettazione della diafonia tra due linee microstrip parallele su PCB basata sull’analisi di simulazione

Teoria del crosstalk

In base alla teoria elettromagnetica, il crosstalk si riferisce al disaccoppiamento elettromagnetico tra due linee di segnale. È un tipo di rumore causato dalla capacità mutua e dall’impedenza mutua tra le linee di segnale.

Nella Figura 1, tra le due linee parallele, una linea ha la sorgente di segnale (V_S) e impedenza interna (Z_OG) a un'estremità della linea e impedenza di carico (Z_LG) all'altro, formando un anello chiuso attraverso la massa. L'altra linea ha solo resistenza (Z_Oe Z_LR) con una struttura a singolo filo verso terra. In questa figura, il conduttore con la sorgente di segnale è chiamato linea di emissione o linea di interferenza, mentre l’altro conduttore è chiamato linea di ricezione o linea interferita.

Quando il segnale di pilotaggio (1) attraversa la linea di emissione, a causa della capacità parassita tra la linea di emissione e la linea di ricezione verrà generato un segnale di interferenza con direzioni opposte. Allo stesso tempo, durante il passaggio attraverso la linea di emissione, il segnale di pilotaggio genererà un campo magnetico variabile che induce una corrente di interferenza con direzione opposta al segnale di pilotaggio dopo aver attraversato la linea di ricezione. Le correnti di interferenza (2) e (3) sono segnali di diafonia disaccoppiati dalla linea di emissione alla linea di ricezione dal segnale di pilotaggio. Questo è il modo in cui si genera la diafonia.

Il crosstalk può essere classificato in crosstalk capacitivo e crosstalk induttivo in base a cause diverse. Il crosstalk capacitivo si riferisce alla tensione disaccoppiata generata dalla capacità di disaccoppiamento reciproca, mentre il crosstalk induttivo si riferisce alla corrente disaccoppiata generata dall’induttanza di disaccoppiamento reciproca.

In base ai luoghi in cui si verifica il diafonia, essa può essere classificata in diafonia di estremità vicina e diafonia di estremità lontana. In Figura 1, la diafonia di estremità vicina è il segnale di interferenza generato dal segnale di pilotaggio (1) all’estremità vicina della linea di ricezione, somma della diafonia capacitiva (3) e della diafonia induttiva (2). La diafonia di estremità lontana è il segnale di interferenza generato dal segnale di pilotaggio (1) all’estremità lontana della linea di ricezione, somma inversa della diafonia capacitiva (3) e della diafonia induttiva (2).

La diafonia viene generata tra due conduttori a causa del disaccoppiamento elettromagnetico. L’analisi della diafonia consiste nel calcolare la tensione di interferenza dall’induttanza del segnale di pilotaggio verso entrambi i lati della linea di ricezione con il segnale di pilotaggio fornito. V_R(0) è impostato come la tensione di interferenza sulla linea di ricezione quando X è uguale a 0 mentre V_R(L) è la tensione di interferenza sulla linea ricevente quando X è uguale a L. Quindi si possono ottenere due formule:

Il modello di simulazione dell’analisi del diafonia tra due linee microstrip parallele

In questo articolo, la scheda a circuito stampato utilizzata nel modello di simulazione ha una dimensione di 20x60 mm (larghezza x lunghezza) con fibra di vetro laminata in epossidica FR-4 come materiale del substrato, il cui costante dielettrico è 4,7. La Figura 2 mostra la vista in sezione del modello di simulazione.

Nella Figura 2, lo strato superiore è il piano di cablaggio (piano a microstriscia), mentre lo strato inferiore è il piano immagine. La linea a microstriscia è un conduttore ideale, mentre il piano immagine è un piano conduttore ideale. I parametri di due linee a microstriscia parallele possono essere impostati come segue:L=40mm,W=0,5 mm,H=0,3 mm. Secondo la formula dell’impedenza caratteristica della linea microstrip (), l'impedenza caratteristica della linea microstrip è di 50Ω.

Nota: 0,38 mm

In Figura 3, la prima porta (P1) della linea di emissione è la porta della sorgente di interferenza. Ogni porta della linea di emissione e della linea di ricezione è collegata tramite l’impedenza caratteristica (50Ω), quindi il segnale di diafonia verrà assorbito quando raggiunge l’estremità vicina e l’estremità lontana della linea di ricezione e non tornerà a influenzare la diafonia. Di conseguenza, due microstrip formano una rete a 4 porte i cui parametri S13 e S14 possono essere calcolati rispettivamente:,.

TR₀si riferisce alla diafonia della linea di emissione verso l'estremità vicina della linea di ricezione durante il TR_Lsi riferisce alla diafonia della linea di emissione verso l'estremità lontana della linea di ricezione.

Risultati della Simulazione e Discussione

• Intensità di diafonia al variare della frequenza

I segnali ordinari sono il risultato della somma di onde sinusoidali con frequenze e ampiezze diverse, quindi è significativo studiare come il crosstalk di due microstrip cambi con la frequenza di una singola onda sinusoidale.

Per riflettere meglio le regole, la Figura 4 è ottenuta con la distanza di cablaggio( D )con valori di 1 mm e 3 mm, mostrando come il crosstalk varia con la frequenza.

Si può concludere che, nell’intervallo di bassa frequenza, l’intensità del diafonia ha una relazione lineare con la frequenza del segnale, sia per la diafonia di estremità lontana che per la diafonia di estremità vicina. Nell’intervallo di alta frequenza, la diafonia di estremità vicina (S₁₃) mostra una forte vibrazione periodica con l’aumento della frequenza, mentre la diafonia di estremità lontana si comporta in modo opposto. Ciò dipende principalmente dalle diverse distanze tra la diafonia capacitiva e l’estremità vicina/lontana, e tra la diafonia induttiva e l’estremità vicina/lontana. Nell’intervallo di bassa frequenza, le fasi di questi due tipi di diafonia e delle porte sono per lo più le stesse e le fasi relative del segnale integrato hanno poca influenza sull’ampiezza. Tuttavia, nell’intervallo di alta frequenza, a frequenze diverse, le fasi presentano grandi differenze tra questi due tipi di segnale di diafonia e le porte, e l’ampiezza del segnale di interferenza integrato di questi due tipi cambierà periodicamente con il cambiamento di fase, il che porta a una vibrazione dell’ampiezza chiaramente periodica in funzione della frequenza.

• Intensità di diafonia al variare della distanza di cablaggio

Quando la distanza del cablaggio(L)è 40 mm, spessore del substrato(H)0,3 mm e frequenza del segnale 2 GHz e 5 GHz, il risultato della simulazione dell’intensità di diafonia al variare della distanza di cablaggio è mostrato in Figura 5.

In questa figura, sia la diafonia di estremità vicina sia quella di estremità lontana diminuiscono man mano che la distanza di cablaggio aumenta. Quando la distanza di cablaggio inizia ad aumentare da 1 mm, la diafonia diminuisce rapidamente, ma con l’aumentare della distanza, la riduzione della diafonia diventa lenta. Ovviamente, quando la distanza è maggiore di tre volte la larghezza, la diafonia tra le linee non può essere migliorata aumentando ulteriormente la distanza tra le linee. Ciò accade perché, quando due linee microstrip sono troppo vicine, sia la capacità che l’induttanza mutua diventano così rilevanti che la diafonia aumenta in modo sostanziale.

• Intensità di diafonia al variare della lunghezza del cablaggio

Quando la distanza del cablaggio(D)è 2,0 mm, spessore del substrato(H)0,3 mm e frequenza del segnale 1 GHz e 5 GHz, il risultato simulato dell’intensità di diafonia al variare della lunghezza è mostrato in Figura 6.

Secondo la Figura 6, quando la frequenza del segnale è 1 GHz, l’intensità sia del diafonia di estremità vicina sia del diafonia di estremità lontana aumenta con l’aumento della lunghezza parallela. Quando la frequenza del segnale raggiunge 5 GHz, l’intensità della diafonia di estremità vicina aumenta con l’aumento della lunghezza parallela e l’intensità della diafonia di estremità lontana oscilla con l’aumento della lunghezza parallela. Ciò è dovuto al fatto che la lunghezza elettrica del cablaggio è maggiore alla frequenza di 5 GHz rispetto a quella alla frequenza di 1 GHz e le fasi della diafonia capacitiva e della diafonia induttiva sono sostanzialmente diverse alla porta di estremità lontana.

• Intensità di diafonia al variare della distanza tra la linea microstrip e il piano immagine

Per mantenere l’impedenza caratteristica della linea microstrip a 50Ω, il valore diL/Adeve essere mantenuto a 1,82. Pertanto, nel modello di simulazione, il rapporto tra la larghezza della linea e l'altezza del piano dell'immagine è mantenuto anch'esso a 1,82.

a. Quando la lunghezza del cablaggio(L)è 40 mm, la distanza tra le due linee e i loro bordi è 1,0 mm e, con frequenze del segnale di 2 GHz e 5 GHz, l’intensità della diafonia al variare dello spessore del piano d’immagine è mostrata in Figura 7.

Secondo la Figura 7, l’intensità di diafonia aumenta con l’aumento della distanza, soprattutto quando la distanza è compresa tra 0 e 0,4 mm, l’intensità di diafonia cresce così rapidamente e la velocità tende a rallentare con il continuo aumento dell’altezza. QuandoHè superiore a 0,5 mm, l’intensità del diafonia rimane sostanzialmente invariata. Ciò è dovuto al fatto che, quando la microstriscia è troppo vicina al piano immagine, il disaccoppiamento tra il cablaggio e il piano immagine diventa così forte mentre il disaccoppiamento tra i cablaggi è molto ridotto. Quando la distanza tra la microstriscia e il piano immagine aumenta, il disaccoppiamento tra il cablaggio e il piano immagine si indebolisce mentre il disaccoppiamento tra i cablaggi aumenta. Tuttavia, con l’aumentare della distanza tra la microstriscia e il piano immagine, il disaccoppiamento tra il cablaggio e il piano immagine diventa così debole da avere poca influenza sul disaccoppiamento tra i cablaggi. Sulla base dell’analisi di cui sopra, la distanza tra la linea di trasmissione e il piano immagine dovrebbe essere ridotta il più possibile in modo da diminuire meglio la diafonia.

b. Quando la lunghezza del cablaggio( L )è 40 mm, la distanza tra le linee è due volte la larghezza della linea e, con frequenze del segnale di 2 GHz e 5 GHz, l’intensità della diafonia al variare dello spessore del piano d’immagine è mostrata in Figura 8.

Secondo la Figura 8, l’intensità del diafonia varia poco al variare della distanza tra due linee, espressa come multiplo della larghezza della linea.

Sulla base del confronto tra le due condizioni, si può concludere che, con l’aumento della distanza tra la linea microstrip e il piano immagine, se la distanza tra le linee rimane invariata, l’intensità del crosstalk verrà amplificata e, se la distanza è un multiplo stabile della larghezza della linea, l’intensità del crosstalk rimane quasi invariata.

Strategie di progettazione PCB

Secondo il risultato dell’analisi sopra riportato, di seguito sono illustrate alcune strategie per ridurre il crosstalk tra le linee di trasmissione:
a. PerPCB digitali ad alta velocità, è necessario selezionare componenti la cui velocità del fronte di salita e di discesa del clock sia relativamente lenta, in modo da poter ridurre la frequenza del segnale.
b. Il layout parallelo a lunga distanza dovrebbe essere evitato.
c. La distanza tra due linee dovrebbe essere aumentata.
d.Progettazione di PCB multistratodovrebbe essere utilizzato in modo che l’altezza tra la linea di trasmissione e il piano di immagine possa essere ridotta. Se devono essere utilizzati PCB con un piano di immagine più alto, la distanza tra le linee di trasmissione dovrebbe essere aumentata.

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