PCB-Crosstalk:Was es ist und wie man ihm entgegenwirkt

Seien wir ehrlich. PCB-Übersprechen ist ein massives Problem, mit dem der durchschnittliche Ingenieur bei Hochgeschwindigkeits-PCBs konfrontiert ist.

Heutzutage haben wir kompaktere Platinen, wodurch es wichtiger wird, das Übersprechen vor der Bestückung von Leiterplatten zu analysieren. Wenn Sie jedoch mit dem Konzept des Übersprechens nicht vertraut sind, kann es etwas schwierig sein, dem entgegenzuwirken.

Dieser Artikel zeigt Ihnen, was Übersprechen ist und was Sie tun müssen, um es zu verhindern. Wir werden auch mehr Licht auf die verschiedenen Arten von Übersprechen werfen.

Sind Sie bereit? Fangen wir an!

Was ist Crosstalk in PCB?

PCB-Übersprechen ist eine unerwünschte Energiekopplung zwischen Leiterbahnen. Es bewirkt, dass die Signalimpulse einer Spur eine andere Spur außer Kraft setzen, selbst wenn sie keinen physischen Kontakt haben. Dies passiert normalerweise, wenn Sie Ihre parallelen Spuren nicht korrekt platzieren.

PCB-Spuren

Obwohl Sie vielleicht argumentieren, dass Ihre Designs die Mindestabstandsanforderungen einhalten, reicht dies möglicherweise nicht aus, um eine elektromagnetische Kopplung zu verhindern.

Stellen Sie sich also zwei parallele Leiterbahnen auf einer Leiterplatte vor; Wenn eine Kurve eine höhere Amplitude hat, könnte dies die Kurve mit einer niedrigeren Amplitude beeinflussen. Infolgedessen beginnt das Signal der schwächeren Spur zu kopieren, das stärkere Signal, anstatt es zu übertragen. Dann kommt es zum Übersprechen.

In Wahrheit bewirkt die gegenseitige Induktivität die Übertragung des Stroms von der starken zur schwachen Spur. Dann macht der aus der gegenseitigen Kapazität erzeugte Kondensator den Strom ähnlich, was die Signalintegrität einer Schaltung beeinträchtigen kann.

Viele Designer glauben, dass Übersprechen von parallelen Linien auf derselben Schicht herrührt. Es kann aber auch in benachbarten Linien auf unterschiedlichen Layern auftreten.

Darüber hinaus kann es schwierig sein, Übersprechen zu kontrollieren oder zu verhindern, vor allem, wenn es unentdeckt bleibt. Und wenn Sie sich in der Anfangsphase Ihrer Designs nicht damit befassen, würde dies die Funktionalität Ihrer Leiterplatte herabsetzen.

Wie kommt es zu Übersprechen auf einer Leiterplatte?

PCB von Hand inspizieren

Üblicherweise gibt es zwei Möglichkeiten, wie Übersprechen in einer Schaltung auftreten kann:gemeinsame Impedanzkopplung oder elektromagnetische Kopplung. Eine gemeinsame Impedanzkopplung ist einfach zu analysieren und tritt nur auf, wenn sich verschiedene Signale einen Rückweg teilen.

Andererseits ist die elektromagnetische Feldkopplung komplexer und hat zwei Unterteilungen:induktiv und kapazitiv.

Kapazitive Kopplung

Parallelspuren sind die parallelen Kondensatorplatten einer Hochgeschwindigkeits-Leiterplatte, die durch ein Dielektrikum getrennt sind. Und das elektrische Feld zwischen der starken und der schwachen Spur ist das, was wir den Kondensator nennen.

Wenn sich nun die Kondensatorspannung ändert, wird das elektrische Feld verändert und ein Verschiebungsstrom erzeugt. Dieser Verschiebungsstrom verursacht einen kapazitiv gekoppelten Strom, der zu Übersprechen führt. Wir nennen diesen Effekt parasitäre Kapazität.

Induktive Kopplung

Die induktive Kopplung hängt von der Anzahl der Magnetfeldringe ab, die sich um die schwache Spur drehen. Das Magnetfeld der stärkeren Spur umgibt die anfälligere Leitung und ändert ihren Übertragungsstrom.

In diesem Fall induziert die stärkere Leitung eine Spannung gemäß dem Faradayschen Induktionsgesetz. Die induzierte Spannung überträgt den Strom in Form von Übersprechen.

Breitseitenkopplung

Breitseitenkopplung tritt auf, wenn parallele Spuren nahe an benachbarten Schichten verlaufen. Außerdem tritt es eher auf, wenn eine geringe Kerndicke diese benachbarten Signalschichten trennt. Normalerweise sind es 0,1 Millimeter (4 Mil), was bei weitem nicht ausreicht, um zwei Leiterbahnen auf derselben oder einer benachbarten Ebene zu beabstanden.

Arten von Nebensprechen

Übersprechen, das die Signalübertragung beeinflusst

Wir können verschiedene Nebensprecharten in Ausbreitungsrichtung, Messzonen und Quantifizierung klassifizieren. Sehen wir uns das genauer an.

Basierend auf der Ausbreitungsrichtung

Unter dieser Klassifizierung haben wir zwei Nebensprecharten, einschließlich Vorwärts- und Rückwärtsübersprechen.

Beim Vorwärtsübersprechen überträgt die anfälligere Leiterbahn den kopierten Strom in Richtung des stärkeren Signals. Im Gegensatz dazu bedeutet Rückwärtsübersprechen, dass das Kopiensignal in die entgegengesetzte Richtung übertragen wird.

Hier sind die Formeln für das Übersprechen basierend auf der Ausbreitungsrichtung:

Basierend auf der Messzone

Unter dieser Klassifizierung gibt es auch zwei Übersprechtypen. Dazu gehören:

• Far-End Crosstalk (FEXT):bezieht sich auf die Interferenz auf der Empfängerseite der schwächeren Spur.
• Near-End Crosstalk (NEXT):bezieht sich auf das Rauschen auf der Treiberseite der schwächeren Spur.

Außerdem können diese Übersprechtypen überall auf einer Leiterbahn auftreten. Es spielt also keine Rolle, ob es sich um einen Einleiter oder einen Zweileiter handelt.

Basierend auf Quantifizierung

Hier haben wir drei Übersprechtypen, darunter:

1. Erstens, Power-sum-FEXT (PS-FEXT):bezieht sich auf den absoluten Einfluss des Nebensprechens am fernen Ende.
2. Zweitens, Power-sum-NEXT (PS-NEXT):bezieht sich auf den relativen Effekt des Nahnebensprechens.
3. Drittes, Power-Sum-Equal-Level-Crosstalk (PS-ELFEXT):bezieht sich auf die Hinzufügung von PS-NEXT und PS-FEXT.

Alien-Crosstalk

Dieses Übersprechen ist komplizierter als andere Varianten. Es ist schwer zu beseitigen, und eine Abschirmung bietet keinen ausreichenden Schutz. Es passiert, wenn verschiedene Signale das schwache Signal verfälschen.

Was verursacht Nebensprechen?

Übersprechen messen

Hier sind einige Faktoren, die PCB-Crosstalk verursachen können:

• Cross kann ein Ergebnis von Ausbreitungsgeschwindigkeitsunterschieden sein. Sie können dies jedoch durch Ausbreitungsverzögerung und Spurlängenabgleich mindern.
• Erhöhte Datenraten können auch Übersprechen verursachen. Eine Platine mit hohen Datenraten hat auch hohe Anstiegszeiten. Und das Faradaysche Gesetz besagt, dass eine längere Anstiegszeit das Übersprechen erhöht.
• Stubbed PCB Vias sind ein weiterer Faktor, der Nebensprechen erzeugen kann. Sie erzeugen Reflexionen und Klingeln, was zu Übersprechen führt.
• Platinengröße:Eine größere Platine erfordert längere Leiterbahnen. Längere Leiterbahnen können jedoch Übersprechen verursachen, da sie wie Antennen wirken.

So reduzieren Sie das Übersprechen in Leiterplatten

Hochgeschwindigkeits-PCB

Bei Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten lässt sich Übersprechen nicht immer vermeiden. Aber Sie können es auf ein unbedeutendes Niveau reduzieren. Hier sind einige Methoden, die Sie für diese Aufgabe verwenden können.

1. Verwenden Sie nur solide Referenzebenen.

Feste Referenzebenen können die überströmenden magnetischen und elektrischen Felder absorbieren. Daher wird es andere Signale nicht verbreiten und verfälschen.

2. Verwenden Sie rückseitig gebohrte Vias

Leiterplatte mit Vias

Vermeiden Sie die Verwendung von Via-Subs, da diese die Signalintegrität dämpfen und Übersprechen verursachen können. Entscheiden Sie sich stattdessen für rückseitig gebohrte Durchkontaktierungen.

3. Übersprechen prüfen und begrenzen

Messen Sie das Übersprechen Ihrer Platine und stellen Sie sicher, dass es 150 mV nicht überschreitet. Vermeiden Sie auch die Anpassung Ihrer Signalanstiegszeit. Es könnte das Übersprechen erhöhen und möglicherweise den Grenzwert überschreiten.

4. Entscheiden Sie sich für Differentielles Pair-Routing

Die Verwendung von eng gekoppeltem differentiellem Routing kann dazu beitragen, das Übersprechen zu reduzieren. Wie? Da es keine gleiche Kopplung gibt, akzeptieren die differentiellen Paare das Gleichtaktrauschen nicht, wodurch das Übersprechen abgeschwächt wird.

5. Separate Hochfrequenzsignale

Mann, der an PCB arbeitet

Vermeiden Sie es, hochfrequente Signale in der Nähe anderer Signale zu platzieren. Ihre Trennung würde dazu beitragen, die Wahrscheinlichkeit von Übersprechen zu verringern.

6. Ungerade und gerade Übertragungsart korrekt eliminieren

Sie können ein Netzwerk mit drei Widerständen oder einen T-Abschluss verwenden, um den geraden und ungeraden Übertragungsmodus effektiv aufzuheben.

7. Verwenden Sie kurze Spuren

PCB mit Spuren

Je länger Ihre Spuren sind, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit von Übersprechen. Kurze Leiterbahnen können jedoch dazu beitragen, die Kopplung zu reduzieren und das Übersprechen abzuschwächen.

8. Separate asynchrone Signale

Halten Sie asynchrone Signale immer weit entfernt von hochfrequenten Signalen. Versuchen Sie, sie näher an Stromleitungen zu platzieren, um die Möglichkeit von Übersprechen zu verringern.

9. Reduzieren Sie parallele Trace-Läufe

Längere Spuren (über 500 mils) erhöhen die gegenseitige Induktivität und verursachen Übersprechen.

10. Verwenden Sie Guard Traces

Sie können Guard-Traces verwenden, um Übersprechen zwischen Übertragungsleitungen zu mindern. Diese Traces sind jedoch knifflig und erschweren das Routing.

11. Verwenden Sie orthogonales Routing

Wenn Sie mit benachbarten Signalebenen arbeiten, versuchen Sie, sie orthogonal zu routen. Es würde helfen, die kapazitive Kopplung zwischen den Schichten zu reduzieren.

12. Trennen Sie Ihre Spuren

Gut beabstandete Spuren

Verwenden Sie die 3W-Regel, um alle Ihre Spuren korrekt zu verteilen. Hält man sich nicht an diese Regel, kommt es zu einer erhöhten Gegenkapazität, die zu Übersprechen führt. Die Verwendung des 3-W-Gesetzes hilft jedoch dabei, das Übersprechen um 70 % zu minimieren.

Hinweis:Mit der 10-W-Regel können Sie eine Reduzierung des Nebensprechens um 98 % erzielen.

Schlussworte

Leiterplatte

Übersprechen ist eines der unvermeidlichen Probleme von Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten. Leider ist es unmöglich, es von Ihrem Board zu eliminieren, aber Sie können es auf ein Niveau reduzieren, das Ihre Signalintegrität und Schaltungsleistung sicher hält.

Übersprechen ist das Ergebnis einer unbeabsichtigten Kopplung zwischen parallelen oder benachbarten Spuren. Sie können die Wahrscheinlichkeit einer Kopplung jedoch minimieren, indem Sie die Zeilenabstände korrekt festlegen.

Denken Sie daran, dass es verschiedene Möglichkeiten gibt, das Übersprechen zu reduzieren, also stellen Sie sicher, dass Sie eine verwenden, die zu Ihrem Schaltungsdesign passt.

Bei Fragen können Sie sich gerne an uns wenden.