PCB çapraz konuşması nedir?
PCB çapraz konuşması, iki sinyal hattı arasındaki endüktif veya kapasitif kuplajın yol açtığı bir voltaj gürültüsü olgusudur.
Çapraz konuşma türleri
Çeşitli kaynaklara göre, PCB üzerinde üç farklı türde çapraz sinyal etkileşimi bulunmaktadır: endüktif kuplaj, kapasitif kuplaj ve ortak direnç kuplajı.
indüktif kuplaj
Endüktif kuplaj, iki nesne arasında bir endüktif döngü aracılığıyla enerji aktarımı gerçekleştirilen bir süreçtir. Bu, bir tel döngüsünün başka bir tel döngüsünde elektrik akımı indüklediği bir tür elektromanyetik kuplajdır. Bu tür kuplaj, birincil ve ikincil sargıların endüktif olarak kuplajlandığı elektrik transformatörlerinde yaygın olarak kullanılır.
kapasitif kuplaj
Kapasitif kuplaj, iki elektrik iletkeni arasında araya giren bir elektrik alanı vasıtasıyla gerçekleşen enerji aktarımını ifade eder. Bu tür kuplaj, sensörler, filtreler ve osilatörler gibi birçok elektronik devrede kullanılır. Ayrıca, sinyalleri bir devreden diğerine aktarmak için de kullanılır.
ortak empedans bağlantısı
Ortak empedanslı bağlantı, iki devrenin tek bir direnç aracılığıyla birbirine bağlandığı bir elektrik devresi bağlantı türüdür. Bu bağlantı türü, her iki devredeki sinyallerin aynı seviyede kalmasını ve birbirlerini etkilememesini sağlayarak devredeki gürültü miktarını azaltır.
Crosstalk Nasıl Oluşur?
Karşılıklı parazit, PCB kartının katman parametreleri, sinyal hatları arasındaki mesafe, verici ve alıcı uçların elektriksel özellikleri ve kablo sonlandırma yönteminden kaynaklanabilir.
Endüktif ve kapasitif kuplaj
Dijital devrelerde, dijital sürücülerin düşük empedanslı yapısı nedeniyle endüktif kuplaj, kapasitif kuplajdan daha yaygındır. Kapasitif kuplaj ise yüksek empedanslı (genellikle analog) devrelerde daha yaygındır.
Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, merkezden merkeze mesafesi d olan iki mikroşerit hattı olduğunu varsayalım.
Sinyal iletim hattı boyunca yayılırken, mikroşerit hattının çevresinde elektrik ve manyetik alan çizgileri belirmeye başlar.
Ancak, bu elektrik ve manyetik alan çizgileri sadece sinyal ve ona bağlı döngüde değil, çevreleyen alana da uzanır. Aşağıda gösterildiği gibi.
İletim hattından yayılan elektrik alanı, bitişiğindeki metal yapıları sarar; iletim hattının etrafındaki manyetik alan da bitişiğindeki metal yapıları kısmen sarar.
Ya bitişikteki metal yapı bir sinyal iletim hattıysa?
Bu durumda iletim hattı, bozucu mikroşerit hattının ürettiği elektromanyetik alan nedeniyle karşılık gelen akım ve gerilim üretecektir.
Açıkçası, iki iletim hattı arasındaki mesafe artırılırsa, sinyal iletim hattı tarafından alınan alan hızla düşecektir.
Ancak, yeterince yakınlarsa, bitişik sinyal iletim hatları ortaya çıkan parazit akımlarını alacaktır. Ve bu parazit akımları, iletim hattındaki orijinal sinyal akımları gibi, yansıma, bozulma ve radyasyona da maruz kalacaktır.
çapraz konuşma modeli
Kapasitif ve endüktif kuplaj ile bunların çapraz parazit üzerindeki etkileri, büyük ölçüde devre düzenine bağlıdır. Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, bu, PCB üzerindeki iletim hatları arasındaki kapasitif ve endüktif kuplajı içeren, çapraz parazitin basitleştirilmiş bir modelidir.
Mikroşerit hattı ile referans düzlemi arasında bulunan CG, mikroşerit hattının karakteristik empedansını ve sinyal yayılma gecikmesini etkiler.
Mikroşerit hatları arasında bulunan CM, kapasitif kuplajdır.
LA ve LV, sırasıyla bozucu ve bozulan mikroşerit hatlarının öz endüktansını temsil eder; bu, mikroşerit hattının karakteristik empedansını ve sinyal yayılma gecikmesini etkileyecektir.
İki mikroşerit hattı arasındaki karşılıklı endüktansı (LM) temsil eden LM, iki devre arasında endüktif kuplaj oluşturur.
Bağlantı endüktansının hesaplanması
Elektriksel olarak küçük mikroşerit hatlarda, kapasitif kuplaj, etkilenen hatla paralel bir akım kaynağı olarak ortaya çıkar; endüktif kuplaj ise etkilenen hatla seri bir gerilim kaynağı olarak ortaya çıkar. Bu özel ilişki aşağıdaki formülde gösterilmiştir:
Burada IC ve VL, bozulmaya neden olan mikroşerit hattındaki kaynak gerilimi VS ve akım IS'deki değişikliklerin yol açtığı, bozulmaya maruz kalan mikroşerit hattındaki kapasitif olarak indüklenen akım ve endüktif olarak indüklenen gerilimdir.
ters çapraz konuşma ve ileri çapraz konuşma
Kapasitif kuplajda, bozulmuş mikroşerit hattında oluşan kapasitif indüksiyon akımı her iki uca doğru yayılır; yani, uzak uçtaki ICF’ye doğru ileriye doğru yayılır ve yakın uçtaki ICN’ye doğru geriye doğru yayılır.
Endüktif kuplajda, bozulmuş mikroşerit hattında üretilen endüktif indüksiyon voltajı, bozulmuş mikroşerit hattında bir akım (ILF, ILN) üretir ve yönü IS'nin tersidir.
Bu nedenle, kapasitif kuplaj ve endüktif kuplaj sinyalleri geriye doğru yayıldığında, akımlar üst üste binerek kuplaj güçlenir; ileriye doğru yayıldıklarında ise akımlar birbirini iptal etme eğilimindedir.
Geriye doğru akan toplam kuplaj sinyaline "ters çapraz konuşma" veya "yakın uç çapraz konuşma" (NEXT) denirken, ileriye doğru akan (aslında iptal eden) toplam kuplaj sinyaline "ileri çapraz konuşma" veya "uzak uç çapraz konuşma" (FEXT) denir.
ortak empedans bağlantısı
PCB izlerinde görülen üçüncü tür çapraz etkileşim, ortak empedans kuplajıdır. Bu durum genellikle iki iletken aynı dönüş izinden geçtiğinde ortaya çıkar. Örneğin, bir dijital devre ile bir analog devre aynı uca bağlandığında ortak empedans kuplajına yol açar.
Yüksek Frekanslı Sinyaller için Yeniden Akış Modeli
Yüksek frekanslı sinyallerin geri akımının büyük bir kısmı mikroşerit hattının altındaki referans düzleminde bulunur, ancak küçük bir kısmı her iki tarafa da yayılır. Referans düzlemindeki geri akım yoğunluğu aşağıdaki formülle ifade edilebilir:
Yukarıdaki şekilde gösterildiği gibi, JGP(d)A ve JGP(d)V sırasıyla bozucu mikroşerit hattının ve bozulan mikroşerit hattının akım yoğunluğu dağılımlarını göstermektedir. Bu ikisinin kesiştiği kısım, yani yukarıdaki şekilde gri renkle gösterilen kısım, iki mikroşerit hattı arasındaki etkileşim derecesini belirleyen "etki alanı"dır.
