Как устранить перекрестные помехи

0
303

В статье рассмотрено явление перекрестных помех в печатных платах, в чем заключаются их негативные эффекты, как их избежать при проектировании платы и как САПР может помочь в этом.

На недавнем свадебном банкете я попытался поговорить с джентльменом, сидевшим за одним столом со мной. К сожалению, между нами сидела женщина, которая разговаривала с кем-то еще, сидящим по другую сторону от меня. Из-за всей фоновой суматохи банкета начать разговор было трудно, а новый разговор между нами сделал нашу беседу невозможной. Возникли перекрестные помехи!

Перекрестные помехи при разговоре могут очень раздражать, но перекрестные помехи на плате могут иметь катастрофические последствия. Если перекрестные помехи не исправить, они могут привести к тому, что печатная плата либо вообще не будет работать, либо в ней будут возникать проблемы. Давайте посмотрим, что такое перекрестные помехи и что можно сделать для их устранения при разработке быстродействующей печатной платы.

Что такое перекрестные помехи при проектировании быстродействующих плат?

Перекрестные помехи – это непреднамеренная электромагнитная связь между проводниками на плате. Эта связь может привести к тому, что импульсы сигнала одного подводника будут подавлять сигнал другого подводника, даже если они физически не соединены друг с другом. Так может произойти, если расстояние между параллельными трассами мало. Даже если зазор между трассами удовлетворяет минимальным технологическим требованиям, этого может быть недостаточно с точки зрения электромагнетизма.

Рассмотрим два проводника, идущие параллельно друг другу. Если сигнал в одном проводнике имеет бо́льшую амплитуду, чем в другом, это может негативно повлиять на другой проводник. Сигнал в проводнике-”жертве” начнет имитировать характеристический импеданс (волновое сопротивление) проводника-”агрессора” вместо того, чтобы передавать собственный сигнал. Это и есть перекрестные помехи.

Обычно считают, что перекрестные помехи – это то, что происходит между двумя параллельными проводниками, идущими рядом друг с другом на одном слое. Но существует еще более высокая вероятность того, что перекрестные помехи возникнут между двумя параллельными проводниками на соседних слоях. Это называется поперечной связью, и она более вероятна, потому что два соседних сигнальных слоя разделены диэлектриком очень малой толщины, которая может составлять 4 мила (0,1 мм), что иногда меньше расстояния между двумя проводниками на одном слое.

Как устранить перекрестные помехи в Altium Designer
Расстояние между трассами для устранения перекрестных помех обычно больше, чем зазор, предъявляемый технологическими требованиями

Устранение потенциальных перекрестных помех в проекте быстродействующей платы

К счастью, с перекрестными помехами можно справиться. Далее приведены некоторые практики проектирования быстродействующих устройств, которые помогут вам устранить вероятность появления перекрестных помех на плате.

  1. Размещайте дифференциальные пары и другие сигнальные трассы на максимально возможном расстоянии друг от друга. Эмпирическое правило – зазор равен трем значениям ширины проводника.
  2. Размещайте трассы тактовых сигналов и другие сигнальные трассы на максимально возможном расстоянии друг от друга. Правило трех значений ширины проводника здесь также работает.
  3. Размещайте различные наборы дифференциальных пар на максимально возможном расстоянии друг от друга. Эмпирическое правило здесь несколько другое – зазор равен пяти значениям ширины проводника.
  4. Асинхронные сигналы (RESET, INTERRUPT и т.п.) должны быть размещены на удалении от шин и высокоскоростных сигналов. Тем не менее, их можно размещать возле сигналов включения/выключения питания, поскольку эти сигналы редко используются во время нормальной работы печатной платы.
  5. Обеспечьте чередующееся горизонтальное и вертикальное направление (ортогональный режим) трассировки на двух соседних слоях в структуре платы. Это сократит вероятность появления поперечной связи, поскольку проводники не будут идти параллельно друг над другом.
  6. Лучшим способом сокращения вероятных перекрестных помех между двумя соседними сигнальными слоями – это разделение слоев экранным земляным слоем в микрополосковой конфигурации. Экранный слой не только увеличит расстояние между двумя сигнальными слоями, но и обеспечит нужный возвратный путь для этих слоев.
Наша система проектирования печатных плат и сторонние приложения могут помочь вам устранить перекрестные помехи.
Наша система проектирования печатных плат и сторонние приложения могут помочь вам устранить перекрестные помехи.

Как САПР поможет устранить перекрестные помехи при проектировании быстродействующих устройств

В системах проектирования плат существует множество встроенных функциональных возможностей, которые помогут вам избежать перекрестных помех в ваших устройствах. Правила для слоев платы помогут избежать поперечной связи благодаря определению направлений трассировки и созданию микрополосковых структур. С помощью правил для классов цепей вы можете задать бо́льшие значения зазоров для групп цепей, которые больше подвержены перекрестным помехам. Средства трассировки дифференциальных пар будут трассировать их именно как пары, а не отдельные цепи, что позволит поддерживать необходимый зазор между проводниками в диффпарах и между диффпарами и другими цепями для избежания перекрестных помех.

Помимо встроенных возможностей проектирования быстродействующих устройств также существуют другие средства, которые помогут устранить перекрестные помехи. Доступны различные средства расчета перекрестных помех, которые помогут вам определить нужные значения ширины и зазора. Также существуют средства моделирования целостности сигналов для анализа быстродействующих устройств на потенциальные проблемы перекрестных помех.

Перекрестные помехи могут стать большой проблемой, если допустить их появление. Теперь, когда вы знаете, на что следует обращать внимание, вы можете предотвратить их появление. Советы по проектированию, которые мы рассмотрели здесь, и функциональные возможности САПР быстродействующих печатных плат помогут вам создавать проекты, не подверженные проблемам перекрестных помех.

Источник: Introduction to High Speed PCB Designing: How to Eliminate Crosstalk
Перевод подготовил: Павел Демидов