Crosstalk em PCB Explicado: Causas, Efeitos e Contramedidas Eficazes

Vamos encarar. Crosstalk em PCB é um problema massivo que o engenheiro médio enfrenta com PCBs de alta velocidade.

Hoje, temos placas mais compactas, tornando mais essencial analisar crosstalk antes de montar PCBs. No entanto, se você não está familiarizado com o conceito de crosstalk, pode ser um pouco complicado combatê-lo.

Este artigo mostrará o que é crosstalk e o que você precisa para preveni-lo. Também lançaremos mais luz sobre os diferentes tipos de crosstalk.

Pronto? Vamos começar!

O que é Crosstalk em PCB?

Crosstalk em PCB é um acoplamento indesejado de energia entre trilhas. Faz com que pulsos de sinal de uma trilha sobrescrevam outra trilha mesmo que não estejam em contato físico. Geralmente acontece quando você não espaça corretamente suas trilhas paralelas.

Trilhas de PCB

Embora você possa argumentar que seus designs cumprem requisitos mínimos de espaçamento, pode não ser suficiente para prevenir acoplamento eletromagnético.

Então, pense em duas trilhas paralelas em um PCB; Se uma trilha tem amplitude maior, pode afetar a trilha com amplitude menor. Como resultado, o sinal da trilha mais fraca começa a copiar o sinal mais forte em vez de transmitir o seu. É quando ocorre crosstalk.

Na verdade, indutância mútua causa transferência de corrente da trilha forte para a fraca. Então, o capacitor criado pela capacitância mútua torna a corrente similar, o que pode afetar a integridade do sinal de um circuito.

Muitos designers acreditam que crosstalk resulta de linhas paralelas na mesma camada. Mas, também pode ocorrer em linhas adjacentes em camadas diferentes.

Além disso, controlar ou prevenir crosstalk pode ser complicado, principalmente quando passa despercebido. E se você não lidar com isso no estágio inicial dos seus designs, degradará a funcionalidade do seu PCB.

Como o Crosstalk Acontece em um PCB?

Inspecionando PCB

Geralmente existem duas formas de crosstalk acontecer em um circuito: acoplamento por impedância comum ou acoplamento eletromagnético. Acoplamento por impedância comum é fácil de analisar e só ocorre quando vários sinais compartilham um caminho de retorno.

Por outro lado, acoplamento de campo eletromagnético é mais complexo e tem duas subdivisões: indutivo e capacitivo.

Acoplamento Capacitivo

Trilhas paralelas são as placas paralelas do capacitor de um PCB de alta velocidade separadas por um dielétrico. E o campo elétrico entre a trilha forte e fraca é o que rotulamos como capacitor.

Agora, se há mudança na tensão do capacitor, alterará o campo elétrico e gerará corrente de deslocamento. Esta corrente de deslocamento causa corrente acoplada capacitivamente, levando a crosstalk. Chamamos este efeito de capacitância parasita.

Acoplamento Indutivo

Acoplamento indutivo depende do número de anéis de campo magnético girando ao redor da trilha fraca. O campo magnético da trilha mais forte envolve a linha mais vulnerável e muda sua corrente de transmissão.

Quando isso acontece, a linha mais forte induz tensão de acordo com a lei de indução de Faraday. A tensão induzida é o que transmite a corrente na forma de crosstalk.

Acoplamento Broadside

Acoplamento broadside acontece quando trilhas paralelas passam próximas a camadas adjacentes. Além disso, é mais provável ocorrer quando pequena quantidade de espessura de núcleo separa estas camadas de sinal adjacentes. Geralmente, é 0,1 milímetros (4 mils), que não é quase suficiente para espaçar duas trilhas na mesma ou camada adjacente.

Tipos de Crosstalk

Crosstalk Afetando Transmissão de Sinal

Podemos classificar vários tipos de crosstalk em direção de propagação, zonas de medição e quantificação. Vamos examinar de perto.

Baseado na Direção de Propagação

Sob esta classificação, temos dois tipos de crosstalk, incluindo crosstalk forward (direto) e backward (reverso).

Para crosstalk forward, a trilha mais vulnerável transmite a corrente copiada na direção do sinal mais forte. Contrariamente, crosstalk backward significa que o sinal copiado transmite na direção oposta.

Aqui estão as fórmulas para crosstalk baseado na direção de propagação:

Baseado na Zona de Medição

Também existem dois tipos de crosstalk sob esta classificação. Incluem:

• Far-end crosstalk (FEXT): refere-se à interferência no lado do receptor da trilha mais fraca.
• Near-end crosstalk (NEXT): refere-se ao ruído no lado do driver da trilha mais fraca.

Também, estes tipos de crosstalk podem acontecer em qualquer lugar em uma trilha. Então não importa se é single-ended ou condutor duplo.

Baseado na Quantificação

Aqui, temos três tipos de crosstalk, que incluem:

1. Primeiro, Power-sum-FEXT (PS-FEXT): refere-se à influência absoluta de far-end crosstalk.
2. Segundo, Power-sum-NEXT (PS-NEXT): refere-se ao efeito relativo de near-end crosstalk.
3. Terceiro, Power-sum-equal-level-crosstalk (PS-ELFEXT): refere-se à adição de PS-NEXT e PS-FEXT.

Crosstalk Alienígena (Alien Crosstalk)

Este crosstalk é mais complicado que outras variantes. É difícil de eliminar, e blindagem não fornecerá proteção suficiente. Acontece quando diferentes sinais corrompem o sinal fraco.

O que Causa Crosstalk?

Medindo Crosstalk

Aqui estão alguns fatores que podem causar crosstalk em PCB:

• Crosstalk pode resultar de diferenças de velocidade de propagação. No entanto, você pode mitigá-lo através de delay de propagação e equalização de comprimento de trilha.
• Taxas de dados aumentadas também podem causar crosstalk. Uma placa com altas taxas de dados também terá altos tempos de subida. E a lei de Faraday afirma que tempo de subida maior aumentará crosstalk.
• Vias de PCB com stub (stubbed vias) é outro fator que pode gerar crosstalk. Elas criam reflexos e ringing, causando crosstalk.
• Tamanho da placa: placa maior requer trilhas mais longas. Mas trilhas longas podem causar crosstalk — porque agem como antenas.

Como Reduzir Crosstalk em PCB

PCB de Alta Velocidade

Você nem sempre pode evitar crosstalk em PCBs de alta velocidade. Mas pode reduzi-lo a nível insignificante. Aqui estão alguns métodos para esta tarefa.

1. Use Apenas Planos de Referência Sólidos.

Planos de referência sólidos podem absorver campos magnéticos e elétricos transbordantes. Portanto, não se espalharão e corromperão outros sinais.

2. Use Vias Back-drilled

PCB com Vias

Evite usar vias stub pois podem prejudicar integridade de sinal e causar crosstalk. Em vez disso, opte por vias back-drilled.

3. Verifique e Limite Crosstalk

Meça o crosstalk da sua placa e garanta que não ultrapasse 150mV. Também, evite ajustar seu tempo de subida do sinal. Poderia aumentar crosstalk e potencialmente passá-lo além do limite.

4. Opte por Roteamento de Par Diferencial

Usar roteamento diferencial fortemente acoplado pode ajudar reduzir crosstalk. Como? Como não há acoplamento igual, os pares diferenciais não aceitarão ruído de modo comum, o que mitiga crosstalk.

5. Separe Sinais de Alta Frequência

Trabalhando em PCB

Evite colocar sinais de alta frequência perto de outros sinais. Separá-los ajudaria reduzir chances de crosstalk.

6. Elimine Corretamente Modos Ímpar e Par de Transmissão

Você pode usar rede de três resistores ou T-terminação para cancelar efetivamente os modos par e ímpar de transmissão.

7. Utilize Trilhas Curtas

PCB com Trilhas

Simplificando, quanto mais longas suas trilhas, maiores chances de crosstalk. No entanto, manter trilhas curtas pode ajudar reduzir acoplamento e mitigar crosstalk.

8. Separe Sinais Assíncronos

Sempre mantenha sinais assíncronos longe de sinais de alta frequência. Tente colocá-los mais próximos a linhas de energia para reduzir possibilidade de crosstalk.

9. Reduza Percursos Paralelos de Trilhas

Trilhas mais longas (acima de 500 mils) aumentarão indutância mútua e causarão crosstalk.

10. Utilize Trilhas de Guarda (Guard Traces)

Você pode usar trilhas de guarda para mitigar crosstalks entre linhas de transmissão. No entanto, estas trilhas são complicadas e tornam roteamento complexo.

11. Use Roteamento Ortogonal

Se você está trabalhando com camadas de sinal adjacentes, tente roteá-las ortogonalmente. Ajudaria a reduzir acoplamento capacitivo entre as camadas.

12. Mantenha suas Trilhas Separadas

Trilhas Bem Espaçadas

Use a regra 3W para espaçar todas suas trilhas corretamente. Se não seguir esta regra, terá capacitância mútua aumentada, o que leva a crosstalk. Mas usar a lei 3W ajudará minimizar crosstalk em 70%.

Nota: Você pode obter redução de 98% de crosstalk usando regra 10W.

Palavras Finais

PCB

Crosstalk é um dos problemas inevitáveis de PCBs de alta velocidade. Infelizmente, é impossível eliminar completamente da sua placa, mas você pode reduzi-lo a nível que mantenha integridade do sinal e performance do circuito seguras.

Crosstalk é resultado de acoplamento não intencional entre trilhas paralelas ou adjacentes. Mas você pode minimizar chances de acoplamento espaçando corretamente suas linhas.

Lembre-se que existem várias maneiras de reduzir crosstalk, então certifique-se de usar uma que se encaixe no seu design de circuito.

Sinta-se à vontade para nos contatar se tiver dúvidas.