Estratégias para o projeto de diafonia entre duas linhas de microfitas paralelas em PCB com base na análise de simulação

Teoria de Crosstalk

Com base na teoria eletromagnética, crosstalk refere-se ao desacoplamento eletromagnético entre duas linhas de sinal. É um tipo de ruído causado pela capacidade mútua e impedância mútua entre as linhas de sinal.


Na Figura 1, entre as duas linhas paralelas, uma linha tem fonte de sinal (V_S ) e impedância interna (Z_OG ) em uma extremidade da linha e impedância de carga (Z_LG ) no outro, formando um circuito fechado através do solo. A outra linha só tem resistência (Z_OR e Z_LR ) com uma estrutura de fio único ao solo. 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 de interferência.

Quando o sinal de acionamento (1) está passando pela linha de emissão, o sinal de interferência será gerado com direções contrárias como resultado da capacitância parasita entre a linha de emissão e a linha de recepção. Enquanto isso, ao passar pela linha de emissão, o sinal de condução gerará um campo magnético variável que induz uma corrente de interferência com direção contrária ao sinal de condução após cruzar a linha de recepção. A corrente de interferência (2) e (3) são sinais de diafonia 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 indutância com base em diferentes causas. A diafonia capacitiva refere-se à tensão desacoplada gerada pela capacitância desacoplada mútua, enquanto a diafonia de indutância refere-se à corrente desacoplada gerada pela indutância desacoplada mútua.


Com base nos locais onde ocorre a diafonia, a diafonia pode ser classificada em diafonia próxima e diafonia remota. Na Figura 1, a diafonia próxima é o sinal de interferência gerado pelo sinal de acionamento (1) na extremidade próxima da linha de recepção, somando a diafonia capacitiva (3) e a diafonia por indutância (2). A diafonia de extremidade distante é o sinal de interferência gerado pelo sinal de condução (1) na extremidade mais distante da linha de recepção, adicionando inversamente a diafonia capacitiva (3) e a diafonia de indutância (2).


A diafonia é gerada entre dois terminais devido ao desacoplamento eletromagnético. A análise da diafonia é calcular a tensão de interferência da indutância do sinal de acionamento para ambos os lados da linha de recepção com o sinal de acionamento fornecido. V_R (0) é definido como a tensão de interferência na linha de recepção quando X é igual a 0 enquanto V_R (L) é a tensão de interferência na linha de recepção quando X é igual a L. Então, duas fórmulas podem ser obtidas:

O Modelo de Simulação de Análise de Diafonia entre Duas Linhas de Microfitas Paralelas

Neste artigo, a placa de circuito impresso utilizada no modelo de simulação possui tamanho de 20x60mm (largura x comprimento) com fibra de vidro laminado epóxi FR-4 como material substrato cuja constante dielétrica é 4,7. A Figura 2 mostra a vista em corte do modelo de simulação.

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

Observação:0,38mm

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


TR₀ refere-se à diafonia da linha de emissão até a extremidade próxima da linha de recepção enquanto TR_L refere-se à diafonia da linha de emissão até a extremidade da linha de recepção.

Resultado e discussão da simulação

• Intensidade do crosstalk com a mudança de frequência


Sinais comuns são o resultado da adição de ondas senoidais com diferentes frequências e alcances, por isso é significativo estudar como a diafonia de duas linhas de microfita 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 1mm e 3mm, mostrando como a diafonia muda com a frequência.

Pode-se concluir que na faixa de baixa frequência, a intensidade do crosstalk tem uma relação linear com a frequência do sinal, não importando o crosstalk no extremo distante ou o crosstalk no extremo próximo. Na faixa de alta frequência, diafonia próxima (S₁₃ ) mostra a forte vibração periódica com o aumento da frequência enquanto a diafonia de ponta oposta se comporta de forma contrária. Isso depende principalmente das diferentes distâncias entre a diafonia capacitiva e a extremidade próxima/distante, entre a diafonia de indutância e a extremidade próxima/distante. Na faixa de baixa frequência, as fases são basicamente as mesmas desses 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 apresentam grandes diferenciais desses dois tipos de sinal de diafonia e portas quando a extensão desses dois tipos de sinal integrado de interferência mudará periodicamente com a mudança de fase, o que leva a a vibração obviamente periódica de extensão por frequência.

• Intensidade do crosstalk com a mudança da distância da fiação


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

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

• Intensidade da diafonia com a mudança do comprimento da fiação

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

De acordo com a Figura 6, quando a frequência do sinal é de 1 GHz, a intensidade da diafonia na extremidade próxima e na diafonia na extremidade distante aumenta com a extensão do comprimento paralelo. Quando a frequência do sinal atinge 5GHz, a intensidade da diafonia na extremidade próxima aumenta com a extensão do comprimento paralelo e a intensidade da diafonia na extremidade distante vibra com a extensão do comprimento paralelo. Isso ocorre porque o comprimento elétrico da fiação é maior na frequência de 5 GHz do que na frequência de 1 GHz e as fases de diafonia capacitiva e diafonia de indutância são substancialmente diferenciais na porta da extremidade oposta.

• Intensidade da diafonia com a mudança da distância entre a linha de microfita e o plano da imagem

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


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

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


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

De acordo com a Figura 8, a intensidade da diafonia muda pouco com a distância entre duas linhas múltiplas da largura da linha.


Com base na comparação entre as duas circunstâncias, pode-se concluir que com o aumento da distância entre a linha da microfita e o plano da imagem, se a distância entre as linhas permanecer inalterada, a intensidade da diafonia será ampliada e se a distância for o múltiplo estável da largura da linha, a intensidade da diafonia quase permanece inalterada.

Estratégias de design de PCB

De acordo com o resultado da análise acima, algumas estratégias são apresentadas a seguir para diminuir a diafonia entre linhas de transmissão:
a. Para PCBs digitais de alta velocidade, os componentes cuja velocidade de borda de subida e descida do clock é relativamente lenta devem ser captados para que a freqüência do sinal possa ser diminuída.
b. O layout paralelo de longa distância deve ser evitado.
c. A distância entre duas linhas deve ser aumentada.
d. O design de PCB multicamada deve ser usado para que a altura entre a linha de transmissão e o plano da imagem possa ser diminuída. Se PCBs com plano de imagem mais alto tiverem que ser usados, a distância entre as linhas de transmissão deve ser aumentada.


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