Quella del crosstalk nei circuiti stampati è una questione importante per la progettazione dei PCB high speed, e rappresenta uno dei principali problemi di integrità del segnale. Il crosstalk è difficile da riprodurre, da debuggare e quindi risolvere. In questo articolo introdurremo l'origine e i fattori che determinano un crosstalk nel PCB; successivamente, verrà presentata una soluzione per la sua minimizzazione.
Crosstalk in PCB ad alta velocità
Il Crosstalk è un'interferenza elettromagnetica che si verifica tra due tracce, tra due cavi, tra una traccia ed un cavo, negli assemblaggi di cavi e nei componenti soggetti al disturbo di un campo magnetico. Questo effetto indesiderato viene associato con i clock, i segnali periodici, i dati, l'indirizzo, le linee di controllo e gli I/O. Il clock e i segnali periodici creano la maggior parte dei problemi e possono causare serie problematiche di funzionalità ad un'altra sezione dell'assemblaggio. Un crosstalk coinvolge l'accoppiamento sia induttivo che capacitivo; quest'ultimo si verifica di solito quando una traccia giace sopra un'altra. Questo accoppiamento è una funzione diretta della distanza che c'è fra la traccia e un'area di sovrapposizione. I segnali accoppiati possono eccedere i limiti imposti nella progettazione con un percorso di traccia molto breve. Questo accoppiamento può essere grave a tal punto che dovrebbe essere sempre evitato il parallelismo sovrapposto. Un accoppiamento induttivo, invece, si verifica fra le tracce che sono fisicamente collocate l'una in prossimità dell'altra.
Forward e Backward crosstalk
Consideriamo il caso in cui due tracce sono l'una adiacente all'altra, come mostrato in figura.
La corrente scorre su una delle tracce e viene chiamata 'linea di aggressione' o linea guidata. Questa corrente si accoppierà nella traccia adiacente, che sarà la linea vittima: si creano così due differenti disturbi del segnale, uno dei quali giungerà nella traccia vittima nella stessa direzione della corrente aggreditrice, prendendo il nome di forward crosstalk. L'altro noise signal avrà una direzione opposta rispetto alla traccia guidata e verrà quindi chiamata reverse crosstalk. Queste correnti hanno differenti caratteristiche e gradi di importanza in una PCB ad alta velocità.
Tecniche di progettazione per prevenire crosstalk
Per evitare il crosstalk in un PCB, è possibile utilizzare una serie di tecniche di layout e di progettazione: minimizzare la distanza fisica tra i componenti durante il loro collocamento minimizzare la lunghezza delle tracce direzionate in parallelo raggruppare le famiglie logiche secondo la funzionalità collocare i componenti lontano dalle interconnessioni I/O e da altre aree suscettibili alla corruzione di dati e all'accoppiamento evitare il routing di tracce parallele le une alle altre ridurre l'impedenza di traccia e il livello di guida del segnale isolare gli emittenti di forti rumori su differenti livelli, fornire una terminazione sulle tracce ad impedenza controllata
Stima del crosstalk
Esiste una formula teorica per calcolare un crosstalk, e si basa su ipotesi semplificate; nella pratica, però, è molto difficile calcolare un crosstalk. Ci sono tre parametri che influenzano la magnitudine del crosstalk noise signal:
1. Il grado di accoppiamento che c'è tra l'aggressore e la vittima
2. La distanza sulla quale si verifica l'accoppiamento
3. L'efficacia di ogni terminazione di traccia esistente.
La formula per il calcolo di un crosstalk nella PCB è:
Crosstalk = K (H) 2 / (H2 + D2)
Qui, la costante K è sempre meno di 1 e questo dipende dal tempo di salita (rise time) del circuito e dalla lunghezza della tracce di interferenza; H2 è il prodotto delle due altezze delle tracce parallele; D è la distanza diretta tra le linee centrali delle tracce. Questa equazione mostra chiaramente che, per minimizzare un crosstalk, bisogna ridurre H e aumentare D. Se la regione di accoppiamento è troppo piccola, il crosstalk non ha tempo a sufficienza per svilupparsi e la sua ampiezza sarà di conseguenza ridotta. Se due tracce sono accoppiate, si sviluppa un backward crosstalk.
Enunciazione del problema
La figura mostra il layout di un programmer JTAG;
per analizzare il crosstalk della PCB, consideriamo la traccia TCK come aggressore e TDI come vittima. Per risolvere un problema di crosstalk, è opportuno considerare una metodologia di separazione.
Simulazione di un crosstalk su una PCB
La figura mostra un modello di accoppiamento con Basic Allegro;
la prima rete consiste in un line driver J6 TCK, connesso a RF7 attraverso un microstrip e la linea di trasmissione TL1 con impedenza 60 Ohm. La seconda rete è costituita da TDI con il driver J6 connesso a RF6 attraverso un microstrip comune, con impedenza di 127 Ohm
Effetto di lunghezza ed effetto di separazione
Al fine di minimizzare il crosstalk in una PCB, bisogna considerare i metodi di separazione e di lunghezza della traccia. La figura mostra il risultato della simulazione di un crosstalk iniziale, nel quale entrambe le tracce sono separate da una spaziatura di 0,12 mm; il crosstalk nella rete è di 316.84mV.
Nell'immagine viene raffigurato il risultato della simulazione del crosstalk minimizzato mostrato prima;
la spaziatura fra le due tracce è di 63,5 mm e il crosstalk nella rete è di 0.01mV.
Nella tabella sono indicati i vari risultati delle simulazioni, ottenuti variando la separazione di traccia tra l'aggressore e la vittima simultaneamente. Al di sopra di uno, riducendo l'impedenza di traccia, anche il crosstalk si riduce, ma non ad un punto accettabile. Quindi, anche se l'impedenza delle tracce viene minimizzata a diversi livelli, c'è una variazione di crosstalk minima, che non è efficace. A questo punto, un altro metodo è quello di portare al massimo la spaziatura tra le tracce e i risultati sono riportati nella tabella qui sotto.
Con una spaziatura adeguata e con le impedenze delle tracce aggressore e vittima visibili in tabella, il crosstalk può essere minimizzato a 0.01mv.
Fonte: Minimization of Crosstalk in High Speed PCB - Wseas
Articoli relativi consigliati: PCB tutorial: lineeguida per i PCB con segnali USB High Speed
Visto l’interesse suscitato dai precedenti articoli sui PCB abbiamo deciso di proseguire questo argomento, a me molto caro 🙂
Partendo dalla convinzione che un circuito stampato sia un’opera d’arte e che il suo funzionamento è legato in primis al buon senso ed all’armonia delle piste, l’approfondimento tecnico è il suo naturale miglioramento qualitativo.
Insomma, una volta applicate quelle nozioni base che valgono per tutti i pcb e che dovrrebbero essere naturali per il progettista (piste corte, alimentazioni separate, ridotti fori passanti, piano di massa, nessuna pista tra i piedini degli integrati, condensatori di filtro vicini gli integrati, protezioni di ingresso vicino…. agli ingressi, etc.) poi bisogna entrare nello specifico della tipologia di circuito che si sta sbrogliando, applicando i criteri relativi.
Le problematiche dei circuiti hi-speed sono varie, ed il crosstalk è una di queste.
Trovo questa serie di articoli utilissimi e chiarificatori, sperando ve ne siano altri come annunciato da Emanuele.
Anche se mi sono occupato per diverso tempo di creare (condivido appieno che è un’arte) circuiti stampati, ci sono alcuni aspetti tecnici, come ad esempio il crosstalk, che ho magari applicato empiricamente seguendo delle regole, ma che non ho mai avuto occasione di approfondire per comprenderne appieno la causa.
Grazie!
La formula è errata!
nel senso che il primo due va messo come apice…K(H)^2 / … il resto è ok
No i 2 sono tutti dei quadrati come traspare dall’articolo originale postato in calce all’articolo.
Sinceramente non mi ero accorto per i successivi due, era “sottointeso” che fossero apici 🙂 Grazie per la segnalazione.
Di nulla!