Otimizando Crosstalk em Linhas Microstrip Paralelas em PCBs: Estratégias de Design Baseadas em Simulação

Teoria de Crosstalk

Baseado na teoria eletromagnética, crosstalk refere-se ao desacoplamento eletromagnético entre duas linhas de sinal. É um tipo de ruído causado por capacitância mútua e impedância mútua entre linhas de sinal.

Na Figura 1, entre as duas linhas paralelas, uma linha tem fonte de sinal (Vₛ) e impedância interna (ZₒG) em uma extremidade da linha e impedância de carga (ZₗG) na outra, formando um loop fechado através do ground. A outra linha só tem resistência (ZₒR e ZₗR) com uma estrutura de fio único para o ground. Nesta figura, o condutor com fonte de sinal é chamado de linha de emissão ou linha de interferência, enquanto a outra linha é chamada de linha de recepção ou linha interferida.

Quando sinal de acionamento (1) passa pela linha de emissão, sinal de interferência será gerado com direções contrárias como resultado da capacitância parasitária entre linha de emissão e linha de recepção. Enquanto isso, ao passar pela linha de emissão, sinal de acionamento gerará um campo magnético variável que induz uma corrente de interferência com direção contrária ao sinal de acionamento após cruzar a linha de recepção. A corrente de interferência (2) e (3) são sinais de crosstalk desacoplados da linha de emissão para a linha de recepção pelo sinal de acionamento. É assim que o crosstalk é gerado.

Crosstalk pode ser classificado em crosstalk capacitivo e crosstalk indutivo baseado em diferentes causas. Crosstalk capacitivo refere-se à tensão desacoplada gerada por capacitância desacoplada mútua, enquanto crosstalk indutivo refere-se à corrente desacoplada gerada por indutância desacoplada mútua.

Baseado nos locais onde o crosstalk ocorre, crosstalk pode ser classificado em crosstalk de extremidade próxima (near-end) e crosstalk de extremidade distante (far-end). Na Figura 1, crosstalk de extremidade próxima é o sinal de interferência gerado pelo sinal de acionamento (1) na extremidade próxima da linha de recepção, adicionando crosstalk capacitivo (3) e crosstalk indutivo (2). Crosstalk de extremidade distante é o sinal de interferência gerado pelo sinal de acionamento (1) na extremidade distante da linha de recepção, adicionando inversamente crosstalk capacitivo (3) e crosstalk indutivo (2).

Crosstalk é gerado entre dois condutores por causa de desacoplamento eletromagnético. A análise de crosstalk é calcular a tensão de interferência do sinal de acionamento da indutância para ambos os lados da linha de recepção com o sinal de acionamento fornecido. Vᵣ(0) é definido como a tensão de interferência na linha de recepção quando X é igual a 0, enquanto Vᵣ(L) é a tensão de interferência na linha de recepção quando X é igual a L. Então duas fórmulas podem ser obtidas:

Modelo de Simulação de Análise de Crosstalk entre Duas Linhas Microstrip Paralelas

Neste artigo, a placa de circuito impresso usada no modelo de simulação tem tamanho de 20 x 60 mm (largura x comprimento) com fibra de vidro laminada epóxi FR-4 como material de substrato, cuja constante dielétrica é 4,7. A Figura 2 mostra a vista seccional do modelo de simulação.

Na Figura 2, a camada superior é plano de fiação (plano de linha microstrip) enquanto a camada inferior é plano de imagem. Linha microstrip é um condutor ideal enquanto plano de imagem é um plano condutor ideal. Os parâmetros de duas linhas microstrip paralelas podem ser definidos como: L=40 mm, W=0,5 mm, H=0,3 mm. De acordo com a fórmula da impedância característica de linha microstrip (), a impedância característica de linha microstrip é 50 Ω.

Nota: 0,38 mm < W < 0,64 mm; T refere-se à espessura da linha microstrip.

Na Figura 3, a primeira porta (P1) da linha de emissão é a porta de fonte de interferência. Cada porta de linha de emissão e linha de recepção é conectada pela impedância característica (50 Ω), de modo que sinal de crosstalk será absorvido quando alcançar a extremidade próxima e distante da linha de recepção e não retornará para influenciar crosstalk. Como resultado, duas linhas microstrip formam uma rede de 4 portas cujos parâmetros S13 e S14 podem ser calculados respectivamente: , .

TR₀ refere-se ao crosstalk da linha de emissão para a extremidade próxima da linha de recepção, enquanto TRₗ refere-se ao crosstalk da linha de emissão para a extremidade distante da linha de recepção.

Resultado de Simulação e Discussão

Intensidade de Crosstalk com a Mudança de Frequência

Sinais ordinários são resultado da adição de ondas senoidais com diferentes frequências e amplitudes, então é significativo estudar como o crosstalk de duas linhas microstrip muda com a frequência de uma única onda senoidal.

Para melhor refletir as regras, a Figura 4 é obtida com distância de fiação (D) com valores de 1 mm e 3 mm, exibindo como o crosstalk muda com a frequência.

Pode-se concluir que na faixa de baixa frequência, a intensidade de crosstalk tem relação linear com a frequência do sinal, não importa crosstalk de extremidade distante ou próxima. Na faixa de alta frequência, crosstalk de extremidade próxima (S₁₃) mostra forte vibração periódica com o aumento da frequência, enquanto crosstalk de extremidade distante comporta-se contrariamente. Isso depende principalmente das diferentes distâncias entre crosstalk capacitivo e extremidade próxima/distante, entre crosstalk indutivo e extremidade próxima/distante. Na faixa de baixa frequência, as fases são majoritariamente as mesmas destes dois tipos de crosstalk e portas e as fases relativas do sinal integrado têm pouca influência na extensão. No entanto, na faixa de alta frequência, sob diferentes frequências, as fases têm grandes diferenciais destes dois tipos de sinal de crosstalk e portas, quando a extensão destes dois tipos de sinal de interferência integrado mudará periodicamente com a mudança de fase, o que leva à vibração periódica óbvia da extensão por frequência.

Intensidade de Crosstalk com a Mudança de Distância de Fiação

Quando o comprimento de fiação (L) é 40 mm, espessura do substrato (H) 0,3 mm e frequência de sinal 2 GHz e 5 GHz, o resultado de simulação da intensidade de crosstalk com a mudança de distância de fiação é mostrado na Figura 5.

Nesta figura, tanto crosstalk de extremidade próxima quanto de extremidade distante diminuem à medida que a distância de fiação se torna maior. Quando a distância de fiação começa a aumentar a partir de 1 mm, o crosstalk diminui rapidamente, mas com o aumento da distância, a diminuição do crosstalk torna-se lenta. Obviamente, quando a distância é maior que três vezes a largura, o crosstalk entre linhas não pode ser melhorado aumentando a distância entre linhas. Isso é porque quando duas linhas microstrip ficam muito próximas, tanto capacitância mútua quanto indutância se tornarão tão proeminentes que o crosstalk subirá substancialmente.

Intensidade de Crosstalk com a Mudança de Comprimento de Fiação

Quando a distância de fiação (D) é 2,0 mm, espessura do substrato (H) 0,3 mm e frequência de sinal 1 GHz e 5 GHz, o resultado simulado da intensidade de crosstalk com a mudança de comprimento é mostrado na Figura 6.

De acordo com a Figura 6, quando a frequência do sinal é 1 GHz, a intensidade de ambos crosstalk de extremidade próxima e distante aumenta com a extensão do comprimento paralelo. Quando a frequência do sinal alcança 5 GHz, a intensidade de crosstalk de extremidade próxima aumenta com a extensão do comprimento paralelo e a intensidade de crosstalk de extremidade distante vibra com a extensão do comprimento paralelo. Isso é porque o comprimento elétrico de fiação é maior na frequência de 5 GHz do que na de 1 GHz e as fases de crosstalk capacitivo e indutivo são substancialmente diferenciais na porta de extremidade distante.

Intensidade de Crosstalk com a Mudança da Distância entre Linha Microstrip e Plano de Imagem

Para manter a impedância característica de linha microstrip em 50 Ω, o valor de W/H deve ser mantido em 1,82. Portanto, no modelo de simulação, a razão entre largura da linha e altura do plano de imagem é mantida em 1,82 também.

a. Quando o comprimento de fiação (L) é 40 mm, a distância entre as duas linhas e suas bordas 1,0 mm e frequência de sinal 2 GHz e 5 GHz, a intensidade de crosstalk com a mudança de espessura do plano de imagem é mostrada na Figura 7.

De acordo com a Figura 7, a intensidade de crosstalk aumenta com a extensão da distância, especialmente quando a distância está na faixa de 0 a 0,4 mm, a intensidade de crosstalk sobe tão rapidamente e a velocidade tende a diminuir com a extensão contínua da altura. Quando H é maior que 0,5 mm, a intensidade de crosstalk basicamente permanece imóvel. Isso é porque quando linha microstrip está muito próxima ao plano de imagem, o desacoplamento entre fiação e plano de imagem torna-se tão integrado enquanto o desacoplamento entre fiação é tão pequeno. Quando a distância entre linha microstrip e o plano de imagem aumenta, o desacoplamento entre fiação e plano de imagem torna-se fraco enquanto o desacoplamento entre fiação sobe. No entanto, com o aumento da distância entre linha microstrip e o plano de imagem, o desacoplamento entre fiação e plano de imagem tornou-se tão fraco que tem pouca influência no desacoplamento entre fiação. Baseado na análise acima, a distância entre linha de transmissão e plano de imagem deve ser encolhida o máximo possível, de modo a diminuir o crosstalk melhor.

b. Quando o comprimento de fiação (L) é 40 mm, distância entre linhas duas vezes a largura da linha e frequência de sinal 2 GHz e 5 GHz, a intensidade de crosstalk com a mudança de espessura do plano de imagem é mostrada na Figura 8.

De acordo com a Figura 8, a intensidade de crosstalk muda pouco com a distância entre duas linhas múltiplo da largura da linha.

Baseado na comparação entre as duas circunstâncias, pode-se concluir que com o aumento da distância entre linha microstrip e plano de imagem, se a distância entre linhas permanece inalterada, a intensidade de crosstalk será amplificada e se a distância é o múltiplo estável da largura da linha, a intensidade de crosstalk quase permanece inalterada.

Estratégias de Design de PCB

De acordo com o resultado de análise acima, algumas estratégias são exibidas abaixo a fim de diminuir o crosstalk entre linhas de transmissão:

• a. Para PCBs digitais de alta velocidade, componentes cuja velocidade de borda de subida e descida de clock é relativamente lenta devem ser escolhidos, de modo que a frequência do sinal possa ser diminuída.
• b. Layout paralelo de longa distância deve ser evitado.
• c. A distância entre duas linhas deve ser ampliada.
• d. Design de PCB multicamada deve ser usado, de modo que a altura entre linha de transmissão e plano de imagem possa ser diminuída. Se PCBs com plano de imagem mais alto tiverem que ser usados, a distância entre linhas de transmissão deve ser ampliada.

Recursos Úteis
• 3 Técnicas de Roteamento em Design de Circuito de Sinal de Alta Velocidade de PCB
• Técnicas de Roteamento de PCB de Alta Velocidade para Reduzir Influência de EMI
• Método de Supressão de Reflexão de Sinal em Layout de PCB de Alta Velocidade
• Mal-entendidos e Estratégias em Design de PCB de Alta Velocidade
• 7 Problemas Comuns de Fabricação de PCB Multicamada de Alta Frequência e Alta Velocidade e Suas Soluções
• Serviço Completo de Fabricação de PCB da PCBCart — Múltiplas Opções de Valor Agregado
• Serviço Avançado de Montagem de PCB da PCBCart — A Partir de 1 Peça