Strategieën voor het ontwerp van overspraak tussen twee parallelle microstriplijnen op PCB op basis van de simulatieanalyse

Overspraaktheorie

Op basis van elektromagnetische theorie verwijst overspraak naar de elektromagnetische ontkoppeling tussen twee signaallijnen. Het is een soort ruis die wordt veroorzaakt door wederzijdse capaciteit en wederzijdse impedantie tussen signaallijnen.

In figuur 1 van de twee parallelle lijnen heeft één lijn een signaalbron (V_S ) en interne impedantie (Z_OG ) aan het ene uiteinde van de lijn en belastingsimpedantie (Z_LG ) aan de andere, vormen een gesloten lus door de grond. De andere lijn heeft alleen weerstand (Z_OF en Z_LR ) met een structuur van enkele draad naar de grond. In deze afbeelding wordt de leiding met signaalbron emissielijn of interferentielijn genoemd, terwijl de andere lijn ontvangstlijn of interfererende lijn wordt genoemd.

Wanneer stuursignaal (1) de emissielijn passeert, zal een storingssignaal worden gegenereerd met tegengestelde richtingen als gevolg van de parasitaire capaciteit tussen emissielijn en ontvangstlijn. Ondertussen zal het stuursignaal, terwijl het de emissielijn passeert, een veranderend magnetisch veld genereren dat een interferentiestroom induceert met een tegengestelde richting van het stuursignaal na het overschrijden van de ontvangstlijn. De stoorstromen (2) en (3) zijn overspraaksignaal ontkoppeld van de emissielijn naar de ontvangstlijn door het stuursignaal. Dit is hoe overspraak wordt gegenereerd.

Overspraak kan worden ingedeeld in capacitieve overspraak en inductieve overspraak op basis van verschillende oorzaken. Capacitieve overspraak verwijst naar de ontkoppelde spanning die wordt gegenereerd door wederzijdse ontkoppelde capaciteit, terwijl inductantie-overspraak verwijst naar de ontkoppelde stroom die wordt gegenereerd door wederzijdse ontkoppelde inductantie.

Op basis van de plaatsen waar overspraak plaatsvindt, kan overspraak worden ingedeeld in near-end crosstalk en far-end crosstalk. In figuur 1 is near-end overspraak het interferentiesignaal dat wordt gegenereerd door het stuursignaal (1) aan het nabije einde van de ontvangstlijn, waarbij capacitieve overspraak (3) en inductantie-overspraak (2) worden toegevoegd. Far-end overspraak is het interferentiesignaal dat wordt gegenereerd door het stuursignaal (1) aan het uiteinde van de ontvangende lijn, waarbij omgekeerd capacitieve overspraak (3) en inductantie-overspraak (2) worden toegevoegd.

Door elektromagnetische ontkoppeling ontstaat er overspraak tussen twee kabels. De analyse van overspraak is om de interferentiespanning te berekenen van de stuursignaalinductantie naar beide zijden van de ontvangende lijn met het geleverde stuursignaal. V_R (0) wordt ingesteld als de stoorspanning op de ontvangende lijn wanneer X gelijk is aan 0 terwijl V_R (L) is de stoorspanning op de ontvangende lijn als X gelijk is aan L. Dan kunnen twee formules worden verkregen:

Het simulatiemodel van overspraakanalyse tussen twee parallelle microstriplijnen

In dit artikel heeft de printplaat die in het simulatiemodel wordt gebruikt een afmeting van 20x60 mm (breedte x lengte) met epoxy gelamineerd glasvezel FR-4 als het substraatmateriaal waarvan de diëlektrische constante 4,7 is. Figuur 2 toont de doorsnede van het simulatiemodel.

In figuur 2 is de bovenste laag een bedradingsvlak (microstriplijnvlak), terwijl de onderste laag een beeldvlak is. Microstriplijn is een ideale geleider, terwijl het beeldvlak een ideaal geleidend vlak is. De parameters van twee parallelle microstriplijnen kunnen worden ingesteld als:L=40mm, B=0.5mm, H=0.3mm. Volgens de formule van de karakteristieke impedantie van microstriplijn ( ), de karakteristieke impedantie van de microstriplijn is 50Ω.

Opmerking:0,38 mm

In figuur 3 is de eerste poort (P1) van de emissielijn de poort van de interferentiebron. Elke poort van de emissielijn en ontvangstlijn is verbonden door de karakteristieke impedantie (50Ω), dus het overspraaksignaal wordt geabsorbeerd wanneer het het nabije einde en het verre einde van de ontvangstlijn bereikt en het zal niet terugkeren om overspraak te beïnvloeden. Als resultaat vormen twee microstriplijnen een 4-poorts netwerk waarvan de parameters S13 en S14 respectievelijk kunnen worden berekend:, .

TR₀ verwijst naar de overspraak van de emissielijn naar het nabije einde van de ontvangende lijn terwijl TR_L verwijst naar de overspraak van de emissielijn naar het uiteinde van de ontvangende lijn.

Simulatieresultaat en discussie

• Overspraakintensiteit bij verandering van frequentie

Gewone signalen zijn het resultaat van het toevoegen van sinusgolven met verschillende frequenties en bereiken, dus het is zinvol om te bestuderen hoe overspraak van twee microstriplijnen verandert met de frequentie van een enkele sinusgolf.

Om de regels beter weer te geven, is figuur 4 verkregen met een bedradingsafstand (D) met waarden van 1 mm en 3 mm, die laat zien hoe overspraak verandert met de frequentie.

Er kan worden geconcludeerd dat in het bereik van lage frequenties, de intensiteit van overspraak een lineaire relatie heeft met de signaalfrequentie, ongeacht overspraak aan het verre of nabije einde. In het bereik van hoge frequentie, near-end overspraak (S₁₃ ) toont de sterke periodieke trilling met toenemende frequentie, terwijl overspraak op afstand zich tegengesteld gedraagt. Dit is voornamelijk afhankelijk van de verschillende afstanden tussen capacitieve overspraak en dichtbij/veraf, tussen inductieoverspraak en dichtbij/veraf. In het bereik van lage frequenties zijn de fasen van deze twee soorten overspraak en poorten grotendeels hetzelfde en hebben de relatieve fasen van het geïntegreerde signaal weinig invloed op de omvang. In het bereik van hoge frequenties, onder verschillende frequenties, hebben de fasen echter grote verschillen van deze twee soorten overspraaksignalen en poorten wanneer de omvang van deze twee soorten geïntegreerde interferentiesignalen periodiek zal veranderen met de verandering van fase, wat leidt tot de duidelijk periodieke trilling van mate per frequentie.

• Overspraakintensiteit bij verandering van bedradingsafstand

Wanneer de bedradingsafstand (L) 40 mm is, de substraatdikte (H) 0,3 mm en de signaalfrequentie 2 GHz en 5 GHz, wordt het simulatieresultaat van de overspraakintensiteit met de verandering van de bedradingsafstand weergegeven in afbeelding 5.

In deze afbeelding nemen zowel near-end overspraak als far-end overspraak af naarmate de bedradingsafstand groter wordt. Wanneer de bedradingsafstand vanaf 1 mm begint toe te nemen, neemt de overspraak snel af, maar naarmate de afstand groter wordt, wordt de afname van overspraak langzaam. Het is duidelijk dat wanneer de afstand groter is dan drie keer de breedte, de overspraak tussen lijnen niet kan worden verbeterd door de afstand tussen lijnen te vergroten. Dit komt omdat wanneer twee microstriplijnen te dicht bij elkaar komen, zowel de onderlinge capaciteit als de inductantie zo prominent worden dat overspraak aanzienlijk zal toenemen.

• Overspraakintensiteit bij verandering van bedradingslengte

Wanneer de bedradingsafstand (D) 2,0 mm is, de substraatdikte (H) 0,3 mm en de signaalfrequentie 1 GHz en 5 GHz, wordt het gesimuleerde resultaat van de overspraakintensiteit met de verandering van lengte weergegeven in Afbeelding 6.

Volgens figuur 6, wanneer de signaalfrequentie 1GHz is, neemt de intensiteit van zowel near-end crosstalk als far-end crosstalk toe met de verlenging van de parallelle lengte. Wanneer de signaalfrequentie 5GHz bereikt, neemt de intensiteit van near-end overspraak toe met de uitbreiding van de parallelle lengte en de intensiteit van de verre-end overspraak trilt met de uitbreiding van de parallelle lengte. Dit komt omdat de elektrische lengte van de bedrading groter is bij de frequentie van 5 GHz dan die bij de frequentie van 1 GHz en omdat de fasen van capacitieve overspraak en inductieve overspraak aanzienlijk verschillen bij de verre poort.

• Overspraakintensiteit met de verandering van de afstand tussen microstriplijn en beeldvlak

Om de karakteristieke impedantie van de microstriplijn op 50Ω te houden, moet de waarde van W/H op 1,82 worden gehouden. Daarom wordt in het simulatiemodel de verhouding tussen lijnbreedte en hoogte van het beeldvlak ook op 1,82 gehouden.

a. Wanneer de bedradingslengte (L) 40 mm is, de afstand tussen de twee lijnen en hun randen 1,0 mm en de signaalfrequentie 2 GHz en 5 GHz, wordt de overspraakintensiteit met de verandering van de dikte van het beeldvlak weergegeven in Afbeelding 7.

Volgens figuur 7 neemt de overspraakintensiteit toe met de uitbreiding van de afstand, vooral wanneer de afstand in het bereik van 0 tot 0,4 mm ligt, gaat de overspraakintensiteit zo snel omhoog en heeft de snelheid de neiging om te vertragen met de voortdurende uitbreiding van de hoogte . Wanneer H meer dan 0,5 mm is, blijft de overspraakintensiteit in principe stil. Dit komt omdat wanneer de microstriplijn te dicht bij het beeldvlak ligt, de ontkoppeling tussen de bedrading en het beeldvlak zo geïntegreerd wordt, terwijl de ontkoppeling tussen de bedrading zo klein is. Wanneer de afstand tussen de microstriplijn en het beeldvlak groter wordt, wordt de ontkoppeling tussen bedrading en beeldvlak zwak, terwijl de ontkoppeling tussen bedrading toeneemt. Met het toenemen van de afstand tussen de microstriplijn en het beeldvlak is de ontkoppeling tussen bedrading en beeldvlak echter zo zwak geworden dat deze weinig invloed heeft op de ontkoppeling tussen bedrading. Op basis van bovenstaande analyse moet de afstand tussen transmissielijn en beeldvlak zo veel mogelijk worden verkleind om de overspraak beter te verminderen.

b. Wanneer de bedradingslengte (L) 40 mm is, de afstand tussen de lijnen twee keer de lijnbreedte en de signaalfrequentie 2 GHz en 5 GHz, wordt de overspraakintensiteit met de verandering van de dikte van het beeldvlak weergegeven in afbeelding 8.

Volgens figuur 8 verandert de overspraakintensiteit weinig met de afstand tussen twee lijnen die veelvoud is van de lijnbreedte.

Op basis van de vergelijking tussen de twee omstandigheden kan worden geconcludeerd dat met de toename van de afstand tussen microstriplijn en beeldvlak, als de afstand tussen lijnen onveranderd blijft, de overspraakintensiteit zal worden vergroot en als de afstand het stabiele veelvoud is van lijnbreedte blijft de overspraakintensiteit vrijwel ongewijzigd.

Strategieën van PCB-ontwerp

Volgens het bovenstaande analyseresultaat worden hieronder enkele strategieën weergegeven om de overspraak tussen transmissielijnen te verminderen:
a. Voor high-speed digitale PCB's moeten componenten waarvan de opgaande flank en dalende flanksnelheid relatief langzaam zijn, worden opgepikt zodat de signaalfrequentie kan worden verlaagd.
b. Parallelle lay-out over lange afstanden moet worden vermeden.
c. De afstand tussen twee lijnen moet worden vergroot.
d. Er moet een meerlagig PCB-ontwerp worden gebruikt, zodat de hoogte tussen transmissielijn en beeldvlak kan worden verminderd. Als PCB's met een hoger beeldvlak moeten worden gebruikt, moet de afstand tussen transmissielijnen worden vergroot.

Handige bronnen
• 3 routeringstechnieken op PCB-ontwerp met hoge snelheid signaalcircuit
• High-speed PCB-routeringstechnieken om de invloed van EMI te verminderen
• Onderdrukkingsmethode van signaalreflectie in high-speed PCB Lay-out
• Misverstanden en strategieën over high-speed PCB-ontwerp
• 7 veelvoorkomende problemen van hoogfrequente en high-speed meerlaagse PCB-fabricage en hun oplossingen
• Full-feature PCB-productieservice van PCBCart - Meerdere opties met toegevoegde waarde
• Geavanceerde PCB-assemblageservice van PCBCart - Start vanaf 1 stuk