Что такое перекрестные помехи в печатных платах?
Перекрестные помехи на печатных платах — это явление напряженных помех, вызванное индуктивной или емкостной связью между двумя сигнальными линиями.
Типы перекрестных помех
Согласно различным источникам, на печатной плате существует три типа перекрестных помех: индуктивная связь, емкостная связь и связь общего сопротивления.
индуктивная связь
Индуктивная связь — это процесс передачи энергии между двумя объектами через индуктивную петлю. Это тип электромагнитной связи, при котором одна проволочная петля индуцирует электрический ток в другой проволочной петле. Этот тип связи обычно используется в электрических трансформаторах, где первичная и вторичная обмотки индуктивно связаны.
емкостная связь
Емкостная связь — это передача энергии между двумя электрическими проводниками через промежуточное электрическое поле. Этот тип связи используется во многих электронных схемах, таких как датчики, фильтры и генераторы. Он также используется для соединения сигналов от одной схемы к другой.
соединение с общим сопротивлением
Совместное соединение с общим сопротивлением — это тип соединения электрических цепей, при котором две цепи соединяются между собой с помощью одного резистора. Этот тип соединения снижает уровень шума в цепи, обеспечивая одинаковый уровень сигналов в обеих цепях и предотвращая их взаимные помехи.
Как возникает перекрестная помеха?
Перекрестные помехи могут быть вызваны параметрами слоев печатной платы, расстоянием между сигнальными линиями, электрическими характеристиками приводного и приемного концов, а также способом подключения проводов.
Индуктивная и емкостная связь
В цифровых схемах индуктивная связь встречается чаще, чем емкостная, из-за низкого импеданса цифровых драйверов. Емкостная связь чаще встречается в схемах с высоким импедансом (обычно аналоговых).
Предположим, что имеются две микрополосковые линии с расстоянием между центрами d, как показано на рисунке ниже.
По мере распространения сигнала по линии передачи вокруг микрополосковой линии начинают появляться линии электрического и магнитного поля.
Однако эти линии электрического и магнитного поля находятся не только в сигнале и связанной с ним петле, но и распространяются на окружающую область. Как показано ниже.
Электрическое поле, исходящее от линии электропередачи, заканчивается на любых соседних металлических конструкциях; магнитное поле вокруг линии электропередачи также частично окружает любые соседние металлические конструкции.
Что, если соседняя металлическая конструкция окажется линией передачи сигнала?
Тогда линия передачи будет генерировать соответствующий ток и напряжение из-за полученного электромагнитного поля, создаваемого мешающей микрополосковой линией.
Очевидно, что если расстояние между двумя линиями передачи увеличится, поле, принимаемое линией передачи сигнала, быстро ослабнет.
Однако, если они находятся достаточно близко, соседние линии передачи сигнала будут улавливать результирующие токи помех. И эти токи помех, как и исходные сигнальные токи на линии передачи, также будут подвергаться отражению, искажению и излучению.
модель перекрестных помех
Емкостная и индуктивная связь, а также их соответствующее влияние на перекрестные помехи в значительной степени зависят от компоновки схемы. Как показано на рисунке ниже, это упрощенная модель перекрестных помех, включающая емкостную и индуктивную связь между линиями передачи на печатной плате.
CG, существующая между микрополосковой линией и опорной плоскостью, влияет на характеристический импеданс и задержку распространения сигнала микрополосковой линии.
CM, существующая между микрополосковыми линиями, представляет собой емкостную связь.
LA и LV представляют собой самоиндукцию возмущающей и возмущаемой микрополосковых линий, соответственно, которые влияют на характеристический импеданс и задержку распространения сигнала микрополосковой линии.
LM, обозначающий взаимную индуктивность LM между двумя микрополосковыми линиями, вызывает индуктивную связь между двумя цепями.
Расчет индуктивности соединения
В электрически малых микрополосковых линиях емкостная связь проявляется как источник тока, параллельный линии-жертве, а индуктивная связь проявляется как источник напряжения, соединенный последовательно с линией-жертвой. Конкретное соотношение показано в следующей формуле:
где IC и VL — это емкостный ток и индуктивное напряжение в нарушенной микрополосковой линии, соответственно, которые вызваны изменениями напряжения VS и тока IS источника в нарушающей микрополосковой линии.
обратная перекрестная помеха и прямая перекрестная помеха
Емкостная связь: емкостный индукционный ток, генерируемый на возмущенной микрополосковой линии, будет распространяться в обоих направлениях, то есть распространяться вперед, в сторону дальнего ICF, и распространяться назад, в сторону ближнего ICN.
Индуктивная связь: индуктивно индуцированное напряжение, генерируемое на возмущенной микрополосковой линии, генерирует ток (ILF, ILN) на возмущенной микрополосковой линии, и его направление противоположно IS.
Следовательно, когда сигналы емкостной и индуктивной связи распространяются назад, токи накладываются друг на друга и связь усиливается; когда они распространяются вперед, ток имеет тенденцию к гашению.
Общий соединенный сигнал, протекающий в обратном направлении, называется «обратной перекрестной помехой» или «перекрестной помехой ближнего конца» (NEXT), а общий соединенный сигнал, протекающий в прямом направлении (фактически гасящийся), называется «прямой перекрестной помехой» или «перекрестной помехой дальнего конца» (FEXT).
соединение с общим сопротивлением
Третий тип перекрестных помех в трассировках печатных плат — это сопряжение с общим импедансом. Оно обычно возникает, когда два проводника проходят по одной и той же обратной трассе. Например, цифровая схема и аналоговая схема приведут к сопряжению с общим импедансом, если они подключены к одному и тому же концу.
Модель рефлоу для высокочастотных сигналов
Большая часть обратного потока высокочастотных сигналов существует на опорной плоскости под микрополосковой линией, но небольшая часть распространяется в обе стороны. Плотность обратного потока на опорной плоскости может быть выражена следующей формулой:
Как показано на рисунке выше, JGP(d)A и JGP(d)V представляют собой распределения плотности тока в возмущающей микрополосковой линии и возмущаемой микрополосковой линии соответственно. Часть, где они пересекаются, то есть серая часть на рисунке выше, является «зоной влияния», которая определяет степень влияния между двумя микрополосковыми линиями.
