Перекрёстные помехи — это эффект, вызванный взаимодействием электромагнитных полей, создаваемых близко расположенными путями. Емкостная связь вызывает внезапное увеличение тока в линиях, что приводит к отражениям на линиях передачи. Существуют также индуктивные связи создаваемые магнитными полями. В основном они вызывают шум на электропитании. Перекрёстные помехи уменьшаются пропорционально квадрату расстояния, а степень влияния пропорциональна поверхности платы, а значит, косвенно и расстоянию между дорожками.
Принцип работы цифровых микросхем (или схем вообще) по-сути прост: есть только два значимых состояния напряжения — низкое и высокое. Они представлены соответствующими диапазонами напряжения. Напряжение ниже UL интерпретируется как низкое состояние, а напряжение выше UH — как высокое состояние. Но что делать, если по какой-то причине напряжение находится между UL и UH…?
Теоретически цифровая схема должна быть спроектирована таким образом, чтобы на ее выходе не появлялись напряжения выходящие за диапазоны определенные для низкого и высокого уровня. Но при определенных обстоятельствах это всё-таки может произойти. Например если сильно нагрузим выход цифровой микросхемы, она не сможет генерировать напряжение на определенных уровнях из-за ограниченной эффективности источника сигнала. В результате выходное напряжение будет находиться в установленных пределах. Эта ситуация указывает на ошибку разработки и не должна возникать в правильно спроектированной схеме.
Идём дальше. Как известно, мощность определяется как произведение напряжения и силы тока. Общая мощность потребляемая от источника питания каждой схемой зависит, среди прочего, от питающего напряжения. По этой причине развитие технологии цифровых схем двигалось в сторону уменьшения напряжений БП. Но такая стратегия имеет свои последствия – сокращение интервала между логическими уровнями UH и UL. Может ли это привести к проблеме? Надо по идее изменить пороги сравнения и все должно работать нормально. Но, к сожалению, один эффект устранить нельзя. Все дело в шуме. Его уровень будет оставаться одинаковым независимо от напряжения питания.
Таким образом существует риск того, что при более низком источнике питания даже статические выходные напряжения в правильном диапазоне могут перейти в запрещенную зону из-за шумов, что приводит к искажениям. В то время как прежняя технология TTL питалась от 5 В, современные схемы питаются от 3,3 В, 1,8 В, 1,5 В, а ядра процессора еще ниже. Чрезвычайно низкие напряжения встречаются в очень быстрых цифровых микросхемах. В этом случае важным как раз становится вопрос о запасе по шуму. Поэтому разработчикам цифровых микросхем пришлось взяться за меры по уменьшению влияния перекрестных помех.
Синхронные шины используются для параллельной передачи данных. Они характеризуются очень хорошей устойчивостью к перекрестным помехам, которые могут появиться только в момент изменения состояния, причём в узком временном окне. Перекрёстные помехи должны быть указаны в окне между tS (время установки) и H (время удержания). В течение этого временного интервала напряжение перекрестных помех не должно быть таким чтобы сигнал мог быть неверно считан. Перекрёстные помехи не влияют на качество сигнала, пока приемник достаточно долго ожидает его стабилизации перед выборкой шины. Если перекрестные помехи возникают во время изменения состояния сигнала, их единственным эффектом является джиттер (дребезжание фазы). Но это относится только к сигналам из одной группы. Асинхронные и несгруппированные сигналы всегда чувствительны к перекрестным помехам.
К сожалению, из-за постоянно увеличивающихся скоростей цифровых сигналов, все чаще невозможно слишком долго ждать дискретизации шины. Если также уменьшить напряжение питания, например с 3,3 В до 1,5 В, допустимая погрешность увеличится более чем наполовину, что сделает любые решения разработчика, связанные с перекрестными помехами, еще более важными. Перекрёстные помехи могут быть настолько малы, что практически не повлияют на работу устройства, но их может быть достаточно чтобы полностью помешать правильной работе прохождения сигнала.
Анализ перекрестных помех на шине памяти
В качестве примера рассмотрим память DDR3. Согласно спецификации JEDEC79-3E: максимальные перекрестные помехи — это разница между ожидаемым напряжением на приемнике и его пороговым напряжением. В этом случае максимальная перекрестная помеха составляет 350 мВ. Это относится к асимметричному сигналу, но не к дифференциальному, что связано с подавлением синфазных помех, то есть возможностью устранения помех возникающих одновременно на обеих входных линиях приемника. Хотя дифференциальный метод лучше подавляет шум, он не является полной защитой.
Перекрёстные помехи также зависят от нагрузки. Она может существенно меняться при работе с несколькими банками памяти. Общие перекрестные помехи, возникающие на каждом пути, также являются суммой перекрестных помех, создаваемых всеми источниками.
На рисунке показаны перекрестные помехи на ближнем и дальнем концах для дорожек шириной 4 мил и сопротивлением 40 мОм, расположенных на расстоянии 8 мил друг от друга. Как видите, чем больше разделение, тем меньше перекрестные помехи. Но что общие перекрестные помехи представляют собой сумму кумулятивного шума от всех близлежащих источников – общий шум может быть намного больше.
Для микрополосковой линии взаимная емкостная связь между соседними дорожками обычно слабее, чем индуктивная связь, поэтому коэффициент FEXT становится отрицательным. Это видно из прилагаемых результатов моделирования. В полосковой линии отсутствуют удаленные перекрестные помехи. Это связано с тем, что индуктивные и емкостные перекрестные помехи тщательно сбалансированы.
Представленные примеры касались микрополосковых линий сформированных на внешнем слое. Также стоит изучить как будут выглядеть перекрестные помехи на полосковой линии построенной на внутреннем слое. На рисунке показаны перекрестные помехи в такой полосковой линии шириной 4 мила, сопротивлением 40 мОм и расстоянием между дорожками 4 мила. Обратите внимание, что в шуме нет компонента FEXT. Кроме того, амплитуда перекрестных помех от пика к пику была значительно уменьшена. При прочих равных условиях можно сделать вывод, что высокоскоростные сигнальные шины следует размещать на внутренних дорожках многослойных печатных плат.
Одной из проблем является утечка сигнала с уровня 1 на уровень 3. Любые помехи в путях питания заканчиваются в путях шины памяти. Значительные перекрестные помехи могут возникнуть, если развязывающие компоненты сети распределения электроэнергии (PDN) не обеспечивают должной эффективности. Следовательно, это важный повод для тщательного анализа и оптимизации PDN.
Компьютерный анализ перекрестных помех
Mentor Graphics HyperLynx — одна из самых передовых программ для компьютерного анализа перекрестных помех. Программа включает параметры по умолчанию для анализа перекрестных и электромагнитных помех для устройств класса B (бытовая или домашняя цифровая техника — компьютеры), как определено FCC (Федеральной комиссией по связи). Пакетное моделирование позволяет автоматически сканировать несколько сетей на печатной плате, сигнализируя о целостности сигналов, перекрестных помехах и горячих точках ЭМС. Зарегистрированные нарушения перекрестных помех можно затем более точно оценить с помощью интерактивного моделирования.
Симулятор анализирует перекрестные помехи, благодаря этому можно уловить любую вредную кумулятивную обратную связь. Стоит принять такое ограничение при анализе синхронных шин с точки зрения выявления полной перекрестной помехи всех агрессоров. Моделирование — гораздо более простой и экономичный метод, чем действия, предпринимаемые на более поздних этапах производственного процесса.
Как дальние, так и ближние перекрестные помехи можно уменьшить, разделив пути «агрессоров» от «жертв» или изменив высоту диэлектрика над и под плоскостями. В последнем случае также необходимо уменьшить ширину дорожек, чтобы сохранить сопротивление. Но следует помнить, что затраты на производство печатных плат значительно возрастают когда дорожки имеют ширину менее 4 мил. В случае плотных проектов, связанных с быстрыми цепями, хорошим пространством для маневра является выбор высоты диэлектрика. К сожалению, вне зависимости от принятых мер полное устранение шумов невозможно, и действия проектировщика должны быть направлены хотя бы на их минимизацию.
