Cos'è il crosstalk della PCB?
Il crosstalk della PCB è un fenomeno di rumore di tensione causato dall’accoppiamento induttivo o dall’accoppiamento capacitivo tra due linee di segnale.
Tipi di crosstalk
Secondo diverse fonti, ci sono tre tipi diversi di crosstalk sulla PCB: accoppiamento induttivo, accoppiamento capacitivo e accoppiamento a resistenza comune.
accoppiamento induttivo
L’accoppiamento induttivo è un processo di trasferimento di energia tra due oggetti attraverso un circuito induttivo. È un tipo di accoppiamento elettromagnetico, in cui un filo a forma di anello induce una corrente elettrica in un altro filo a forma di anello. Questo tipo di accoppiamento è comunemente utilizzato nei trasformatori elettrici, dove gli avvolgimenti primari e secondari sono accoppiati induttivamente.
accoppiamento capacitivo
L’accoppiamento capacitivo è il trasferimento di energia tra due conduttori elettrici attraverso un campo elettrico intermedio. Questo tipo di accoppiamento è utilizzato in molti circuiti elettronici, come sensori, filtri e oscillatori. È anche utilizzato per accoppiare segnali da un circuito all’altro.
accoppiamento a impedenza comune
L’accoppiamento a impedenza comune è un tipo di connessione di circuito elettrico in cui due circuiti sono collegati insieme da una singola resistenza. Questo tipo di connessione riduce la quantità di rumore in un circuito garantendo che i segnali in entrambi i circuiti rimangano allo stesso livello e non interferiscano l’uno con l’altro.
Come si verifica il crosstalk?
Il crosstalk può essere causato dai parametri dello strato della scheda PCB, dalla spaziatura delle linee di segnale, dalle caratteristiche elettriche delle estremità di pilotaggio e di ricezione e dal metodo di terminazione del filo.
Accoppiamento induttivo e capacitivo
Nei circuiti digitali, l’accoppiamento induttivo è più comune dell’accoppiamento capacitivo a causa della natura a bassa impedenza dei driver digitali. L’accoppiamento capacitivo è più comune nei circuiti ad alta impedenza (di solito analogici).
Si considerino due linee a microstriscia con una distanza da centro a centro d, come mostrato nella figura seguente.
Mentre il segnale si propaga lungo la linea di trasmissione, iniziano ad apparire linee di campo elettrico e magnetico attorno alla linea a microstriscia.
Tuttavia, queste linee di campo elettrico e magnetico non sono solo nel segnale e nel suo circuito associato, ma si estendono nell’area circostante. Come mostrato di seguito.
Il campo elettrico che emana dalla linea di trasmissione termina con qualsiasi struttura metallica adiacente; il campo magnetico attorno alla linea di trasmissione circonda anche parzialmente qualsiasi struttura metallica adiacente.
E se la struttura metallica adiacente dovesse essere una linea di trasmissione del segnale?
Allora la linea di trasmissione genererà corrente e tensione corrispondenti a causa del campo elettromagnetico ricevuto generato dalla microstriscia di disturbo.
Ovviamente, se la separazione tra due linee di trasmissione viene aumentata, il campo ricevuto dalla linea di trasmissione del segnale diminuirà rapidamente.
Tuttavia, se sono abbastanza vicine, le linee di trasmissione del segnale adiacenti captano le correnti di interferenza risultanti. E queste correnti di interferenza, come le correnti di segnale originali sulla linea di trasmissione, subiranno anche riflessione, distorsione e irradiazione.
modello di crosstalk
L’accoppiamento capacitivo e l’accoppiamento induttivo e i loro rispettivi effetti sul crosstalk dipendono in gran parte dalla disposizione del circuito. Come mostrato nella figura seguente, è un modello semplificato di crosstalk, che include l’accoppiamento capacitivo e induttivo tra le linee di trasmissione sulla PCB.
CG, che esiste tra la linea a microstriscia e il piano di riferimento, influisce sull’impedenza caratteristica e sul ritardo di propagazione del segnale della linea a microstriscia.
CM, esistente tra le linee a microstriscia, è un accoppiamento capacitivo.
LA e LV rappresentano l’autoinduttanza delle linee a microstriscia perturbanti e perturbate, rispettivamente, che influenzeranno l’impedenza caratteristica e il ritardo di propagazione del segnale della linea a microstriscia.
LM, che sta per l’induttanza mutua LM tra le due linee a microstriscia, causa un accoppiamento induttivo tra i due circuiti.
Calcolo dell'induttanza di accoppiamento
Nelle linee a microstriscia elettricamente piccole, l’accoppiamento capacitivo appare come una sorgente di corrente in parallelo con la linea vittima e l’accoppiamento induttivo appare come una sorgente di tensione in serie con la linea vittima. La relazione specifica è mostrata nella seguente formula:
dove IC e VL sono la corrente indotta capacitivamente e la tensione indotta induttivamente nella linea a microstriscia disturbata, rispettivamente, che sono causate da variazioni della tensione di sorgente VS e della corrente IS nella linea a microstriscia disturbante.
crosstalk inverso e crosstalk diretto
Accoppiamento capacitivo, la corrente di induzione capacitiva generata sulla linea a microstriscia disturbata si propaga a entrambe le estremità, ovvero si propaga in avanti, verso l’ICF all’estremità lontana, e si propaga all’indietro, verso l’ICN all’estremità vicina.
Accoppiamento induttivo, la tensione indotta induttivamente generata sulla linea a microstriscia disturbata genera una corrente (ILF, ILN) sulla linea a microstriscia disturbata e la sua direzione è opposta a IS.
Pertanto, quando i segnali di accoppiamento capacitivo e induttivo si propagano all’indietro, le correnti vengono sovrapposte e l’accoppiamento viene amplificato; quando si propagano in avanti, la corrente tende a cancellarsi.
Il segnale accoppiato totale che scorre all’indietro è chiamato “crosstalk inverso” o “crosstalk all’estremità vicina” (NEXT), mentre il segnale accoppiato totale che scorre in avanti (in realtà si annulla) è chiamato “crosstalk diretto” o “crosstalk all’estremità lontana” (FEXT).
accoppiamento a impedenza comune
Il terzo tipo di crosstalk nelle tracce PCB è l’accoppiamento a impedenza comune. Si verifica solitamente quando due conduttori passano attraverso la stessa traccia di ritorno. Ad esempio, un circuito digitale e un circuito analogico porteranno all’accoppiamento a impedenza comune se sono collegati alla stessa estremità.
Modello di riflusso per segnali ad alta frequenza
La maggior parte del flusso di ritorno dei segnali ad alta frequenza esiste sul piano di riferimento sotto la linea a microstriscia, ma una piccola parte si diffonderà su entrambi i lati. La sua densità di riflusso sul piano di riferimento può essere espressa dalla seguente formula:
Come mostrato nella figura sopra, JGP(d)A e JGP(d)V sono le distribuzioni della densità di corrente della linea a microstriscia disturbante e della linea a microstriscia disturbata, rispettivamente. La parte in cui i due si sovrappongono, ovvero la parte grigia nella figura sopra, è l'”area di influenza”, che determina il grado di influenza tra le due linee a microstriscia.
