Was ist PCB-Crosstalk?
PCB-Crosstalk ist ein Spannungsrauschen, das durch induktive oder kapazitive Kopplung zwischen zwei Signalleitungen verursacht wird.
Arten von Übersprechen
Verschiedenen Quellen zufolge gibt es drei verschiedene Arten von Übersprechen auf der Leiterplatte: induktive Kopplung, kapazitive Kopplung und gemeinsame Widerstandskopplung.
induktive Kopplung
Induktive Kopplung ist ein Prozess der Energieübertragung zwischen zwei Objekten über eine Induktionsschleife. Es handelt sich um eine Art elektromagnetischer Kopplung, bei der eine Drahtschleife in einer anderen Drahtschleife einen elektrischen Strom induziert. Diese Art der Kopplung wird häufig in elektrischen Transformatoren verwendet, bei denen die Primär- und Sekundärwicklungen induktiv gekoppelt sind.
kapazitive Kopplung
Kapazitive Kopplung ist die Übertragung von Energie zwischen zwei elektrischen Leitern durch ein dazwischenliegendes elektrisches Feld. Diese Art der Kopplung wird in vielen elektronischen Schaltungen verwendet, beispielsweise in Sensoren, Filtern und Oszillatoren. Sie wird auch verwendet, um Signale von einer Schaltung zu einer anderen zu koppeln.
gemeinsame Impedanzkopplung
Die gemeinsame Impedanzkopplung ist eine Art von elektrischer Schaltungsverbindung, bei der zwei Schaltungen über einen einzigen Widerstand miteinander verbunden sind. Diese Art der Verbindung reduziert das Rauschen in einer Schaltung, indem sie sicherstellt, dass die Signale in beiden Schaltungen auf dem gleichen Niveau bleiben und sich nicht gegenseitig stören.
Wie entsteht Übersprechen?
Das Übersprechen kann durch die Parameter der Leiterplattenlage, den Abstand der Signalleitungen, die elektrischen Eigenschaften der Sende- und Empfangsenden und die Art des Kabelanschlusses verursacht werden.
Induktive und kapazitive Kopplung
In digitalen Schaltungen ist die induktive Kopplung aufgrund der niedrigen Impedanz digitaler Treiber häufiger anzutreffen als die kapazitive Kopplung. Die kapazitive Kopplung ist eher in Schaltungen mit hoher Impedanz (in der Regel analogen Schaltungen) zu finden.
Nehmen wir zwei Mikrostreifenleitungen mit einem Mittenabstand d an, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.
Während sich das Signal entlang der Übertragungsleitung ausbreitet, beginnen sich elektrische und magnetische Feldlinien um die Mikrostreifenleitung herum zu bilden.
Diese elektrischen und magnetischen Feldlinien befinden sich jedoch nicht nur im Signal und der zugehörigen Schleife, sondern erstrecken sich auch in die Umgebung. Wie unten dargestellt.
Das von der Übertragungsleitung ausgehende elektrische Feld endet an allen benachbarten metallischen Strukturen; das Magnetfeld um die Übertragungsleitung herum umgibt ebenfalls teilweise alle benachbarten metallischen Strukturen.
Was passiert, wenn die benachbarte Metallstruktur zufällig eine Signalübertragungsleitung ist?
Dann erzeugt die Übertragungsleitung aufgrund des empfangenen elektromagnetischen Feldes, das von der störenden Mikrostreifenleitung erzeugt wird, einen entsprechenden Strom und eine entsprechende Spannung.
Wenn der Abstand zwischen zwei Übertragungsleitungen vergrößert wird, nimmt das von der Signalübertragungsleitung empfangene Feld natürlich rapide ab.
Wenn sie jedoch nahe genug beieinander liegen, nehmen benachbarte Signalübertragungsleitungen die resultierenden Störströme auf. Und diese Störströme erfahren ebenso wie die ursprünglichen Signalströme auf der Übertragungsleitung Reflexion, Verzerrung und Strahlung.
Übersprechmodell
Kapazitive Kopplung und induktive Kopplung sowie ihre jeweiligen Auswirkungen auf das Übersprechen hängen weitgehend vom Schaltungslayout ab. Wie in der folgenden Abbildung dargestellt, handelt es sich um ein vereinfachtes Modell des Übersprechens, einschließlich kapazitiver und induktiver Kopplung zwischen Übertragungsleitungen auf der Leiterplatte.
CG, das zwischen der Mikrostreifenleitung und der Referenzebene besteht, beeinflusst die charakteristische Impedanz und die Signalausbreitungsverzögerung der Mikrostreifenleitung.
CM, das zwischen Mikrostreifenleitungen besteht, ist eine kapazitive Kopplung.
LA und LV stehen für die Selbstinduktivität der störenden bzw. gestörten Mikrostreifenleitungen, die sich auf die charakteristische Impedanz und die Signalausbreitungsverzögerung der Mikrostreifenleitung auswirken.
LM steht für die gegenseitige Induktivität LM zwischen den beiden Mikrostreifenleitungen und verursacht eine induktive Kopplung zwischen den beiden Schaltungen.
Berechnung der Kopplungsinduktivität
In elektrisch kleinen Mikrostreifenleitungen tritt die kapazitive Kopplung als Stromquelle parallel zur betroffenen Leitung auf, während die induktive Kopplung als Spannungsquelle in Reihe mit der betroffenen Leitung auftritt. Die genaue Beziehung wird in der folgenden Formel dargestellt:
wobei IC und VL jeweils der kapazitiv induzierte Strom und die induktiv induzierte Spannung in der gestörten Mikrostreifenleitung sind, die durch Änderungen der Quellenspannung VS und des Quellenstroms IS in der störenden Mikrostreifenleitung verursacht werden.
Rückwärts-Übersprechen und Vorwärts-Übersprechen
Bei der kapazitiven Kopplung breitet sich der auf der gestörten Mikrostreifenleitung erzeugte kapazitive Induktionsstrom zu beiden Enden aus, d. h. er breitet sich vorwärts in Richtung des entfernten ICF und rückwärts in Richtung des nahen ICN aus.
Induktive Kopplung: Die induktiv induzierte Spannung, die auf der gestörten Mikrostreifenleitung erzeugt wird, erzeugt einen Strom (ILF, ILN) auf der gestörten Mikrostreifenleitung, dessen Richtung entgegengesetzt zu IS ist.
Wenn sich die kapazitiven Kopplungs- und induktiven Kopplungssignale rückwärts ausbreiten, überlagern sich die Ströme und die Kopplung wird verstärkt; wenn sie sich vorwärts ausbreiten, neigen die Ströme dazu, sich aufzuheben.
Das gesamte rückwärts fließende gekoppelte Signal wird als „Rückwärts-Übersprechen” oder „Nahbereichs-Übersprechen” (NEXT) bezeichnet, während das gesamte vorwärts fließende (tatsächlich sich aufhebende) gekoppelte Signal als „Vorwärts-Übersprechen” oder „Fernbereichs-Übersprechen” (FEXT) bezeichnet wird.
gemeinsame Impedanzkopplung
Die dritte Art von Übersprechen in Leiterplattenbahnen ist die gemeinsame Impedanzkopplung. Sie tritt in der Regel auf, wenn zwei Leiter die gleiche Rückleitung durchlaufen. Beispielsweise führen eine digitale Schaltung und eine analoge Schaltung zu einer gemeinsamen Impedanzkopplung, wenn sie am gleichen Ende angeschlossen sind.
Reflow-Modell für Hochfrequenzsignale
Der größte Teil des Rückflusses von Hochfrequenzsignalen befindet sich auf der Referenzebene unterhalb der Mikrostreifenleitung, aber ein kleiner Teil breitet sich zu beiden Seiten aus. Seine Rückflussdichte auf der Referenzebene kann durch die folgende Formel ausgedrückt werden:
Wie in der obigen Abbildung dargestellt, sind JGP(d)A und JGP(d)V die Stromdichteverteilungen der störenden Mikrostreifenleitung bzw. der gestörten Mikrostreifenleitung. Der Bereich, in dem sich beide überlappen, d. h. der graue Bereich in der obigen Abbildung, ist der „Einflussbereich“, der den Grad des Einflusses zwischen den beiden Mikrostreifenleitungen bestimmt.
