Linee guida per ridurre la diafonia differenziale e single-ended nei PCB

La diafonia è un problema comune nei circuiti digitali e analogici ad alta velocità che può degradare l'integrità del segnale e introdurre rumore. Comprendendo le cause di fondo della diafonia e implementando tecniche di progettazione adeguate, è possibile ridurne al minimo l'impatto.

Con l'aumento della domanda di circuiti digitali e analogici ad alta velocità, la diafonia è diventato un problema importante. Per diafonia si intende l'accoppiamento indesiderato di segnali tra tracce adiacenti, con conseguente interferenza e degrado dell'integrità del segnale. Sia i segnali differenziali che quelli single-ended sono suscettibili di diafonia e richiedono un'attenta progettazione per minimizzarne gli effetti.

Il funzionamento e le prestazioni affidabili dei sistemi elettronici dipendono in larga misura dalla qualità dei progetti dei circuiti stampati. Con la continua crescita della complessità e della velocità dei circuiti, aumenta anche la possibilità di problemi legati alla diafonia. La diafonia può portare a distorsioni del segnale, errori di temporizzazione ed errori indotti dal rumore che possono avere un impatto significativo sulla funzionalità del sistema. Pertanto, è fondamentale comprendere i fondamenti della diafonia e sviluppare linee guida efficaci per mitigarne gli effetti.

Tipi di diafonia

La diafonia è l'accoppiamento o l'interferenza indesiderata tra tracce adiacenti su un circuito stampato. Si verifica quando i campi elettromagnetici generati da un segnale si propagano a una traccia adiacente, compromettendo l'integrità dei segnali coinvolti. Esistono due tipi principali di diafonia: la diafonia differenziale e la diafonia single-ended.

La diafonia è causata da vari fattori e meccanismi, tra cui la capacità, l'induttanza e l'accoppiamento elettromagnetico. Quando le tracce corrono in parallelo o sono vicine, tra di esse può crearsi una capacità, con conseguente diafonia capacitiva. La diafonia induttiva può derivare dai campi magnetici generati dalla corrente che scorre attraverso una traccia e che induce una tensione in una traccia adiacente. L'accoppiamento elettromagnetico tra le tracce può avvenire attraverso l'induttanza o la capacità reciproca, con conseguente diafonia capacitiva e induttiva.

Diafonia differenziale

La diafonia differenziale si riferisce all'interferenza tra due tracce di una coppia differenziale, dove ogni traccia trasporta una versione invertita dello stesso segnale. La fonte principale della diafonia differenziale è lo squilibrio tra i campi elettromagnetici generati da ciascuna traccia. Questo squilibrio può derivare da variazioni della lunghezza delle tracce, della spaziatura, dell'impedenza e da interferenze elettromagnetiche provenienti da fonti esterne. La diafonia differenziale può causare rumore di modo comune, riduzione dell'oscillazione del segnale e degrado dell'integrità del segnale.

Diafonia single-ended

La diafonia single-ended si verifica quando il campo elettromagnetico di un segnale si accoppia con una traccia single-ended adiacente. In genere colpisce i segnali single-ended ad alta velocità e può derivare dall'accoppiamento tra tracce parallele, tracce non schermate o tracce poco distanziate. La diafonia single-ended può causare distorsione del segnale, ringing e aumento dei livelli di rumore, con conseguenti errori di temporizzazione e corruzione dei dati.

La diafonia differenziale e la diafonia single-ended presentano caratteristiche diverse e richiedono considerazioni progettuali distinte per la mitigazione. La diafonia differenziale influisce principalmente sulla tensione di modo comune e sull'equilibrio tra i segnali differenziali. Può essere ridotta garantendo la simmetria delle lunghezze delle tracce, un'impedenza controllata e tecniche di terminazione adeguate. La diafonia single-ended, invece, influisce sull'ampiezza e sull'integrità dei singoli segnali. Può essere ridotta al minimo grazie a un'adeguata spaziatura tra le tracce, a tecniche di schermatura e a un'attenta collocazione delle tracce sensibili rispetto alle sorgenti di rumore.

Strategie per ridurre al minimo la diafonia

1 - Posizionamento dei componenti

Il posizionamento dei componenti svolge un ruolo fondamentale nel ridurre al minimo la diafonia nei progetti di PCB. Un corretto posizionamento dei componenti può aiutare a isolare i componenti sensibili dalle sorgenti di rumore, a ridurre la lunghezza delle tracce ad alta velocità e a ottimizzare i percorsi dei segnali. La disposizione dei componenti deve essere attentamente valutata per ridurre al minimo la diafonia sia differenziale che single-ended.

I componenti sensibili, come le coppie differenziali ad alta velocità o le tracce single-ended che trasportano segnali critici, devono essere posizionati strategicamente per ridurre al minimo il rischio di diafonia. Questi componenti devono essere posizionati il più lontano possibile da fonti di rumore, come generatori di clock, alimentatori switching o circuiti digitali ad alta velocità. Isolando i componenti sensibili, è possibile ridurre l'interferenza elettromagnetica (EMI) delle sorgenti di rumore, migliorando l'integrità del segnale.

Il raggruppamento di componenti simili può contribuire a creare aree dedicate sul PCB, riducendo la probabilità di diafonia tra sezioni diverse. Posizionando i componenti correlati in prossimità, i percorsi del segnale possono essere accorciati, riducendo al minimo l'area su cui si può verificare la diafonia. Inoltre, i componenti sensibili possono essere isolati dalle sorgenti di rumore e dai percorsi di segnale ad alta velocità separandoli fisicamente o utilizzando tracce di protezione e tecniche di schermatura.

2- Distanza tra le tracce

La distanza tra le tracce che trasportano segnali differenziali o single-ended è fondamentale per ridurre al minimo la diafonia. Per le coppie differenziali, il mantenimento di una distanza coerente tra le tracce aiuta a preservare la simmetria e l'equilibrio del segnale, riducendo le possibilità di diafonia. La spaziatura richiesta può essere specificata dal produttore del circuito integrato o determinata mediante simulazione e analisi. Analogamente, per i segnali single-ended, il mantenimento di una spaziatura adeguata tra le tracce che corrono in parallelo può contribuire a ridurre l'accoppiamento e le interferenze.

Inoltre, è essenziale considerare la distanza tra le tracce sensibili e i componenti o i percorsi di segnale rumorosi. Aumentare la separazione fisica tra questi elementi aiuta a minimizzare l'accoppiamento elettromagnetico tra di essi e riduce il rischio di diafonia. Un'attenta pianificazione del posizionamento dei componenti e l'attenzione al routing delle tracce possono contribuire in modo significativo al raggiungimento di un'integrità ottimale del segnale e alla riduzione dei problemi di diafonia (Figura 1).

Figura 1: La distanza tra le tracce deve essere impostata correttamente per ridurre al minimo la diafonia

3 - Impedenza controllata

Il routing a impedenza controllata è una tecnica cruciale per i segnali ad alta velocità, comprese le coppie differenziali, per mantenere l'integrità del segnale e ridurre al minimo la diafonia. L'impedenza si riferisce all'opposizione al flusso di una corrente alternata in un circuito. L'impedenza controllata garantisce che l'impedenza di una linea di trasmissione corrisponda al valore specificato, tipicamente misurato in ohm, per tutta la sua lunghezza.

La larghezza della traccia e la spaziatura tra le tracce sono fattori critici per il controllo dell'impedenza e la riduzione della diafonia. Per le coppie differenziali a impedenza controllata, la larghezza della traccia deve essere progettata per ottenere il valore di impedenza desiderato. Anche la distanza tra le tracce deve essere determinata con attenzione, tenendo conto dell'impedenza differenziale desiderata e del livello accettabile di diafonia. I progettisti devono fare riferimento alle raccomandazioni del produttore del circuito integrato o utilizzare strumenti di calcolo dell'impedenza per garantire la larghezza e la spaziatura delle tracce.

Per mantenere la simmetria del segnale, è fondamentale far coincidere le lunghezze delle tracce all'interno di una coppia differenziale. La mancata corrispondenza delle lunghezze delle tracce può introdurre uno skew temporale e degradare l'integrità del segnale. I progettisti devono cercare di ottenere la corrispondenza delle lunghezze entro una tolleranza specifica, in genere di pochi millimetri o meno, a seconda della frequenza del segnale. Per compensare le differenze di lunghezza e garantire l'uguaglianza dei ritardi di propagazione dei segnali differenziali, si possono utilizzare tecniche come l'instradamento a serpentina o i meandri.

4 – Piani di massa

La massa è un aspetto critico della progettazione dei circuiti stampati per ridurre al minimo il rumore, le interferenze e la diafonia. I piani di massa servono come riferimento a bassa impedenza per i segnali e contribuiscono a fornire un riferimento di massa stabile su tutto il PCB. Un piano di massa continuo sotto le tracce di segnale aiuta a ridurre l'accoppiamento dei campi elettromagnetici, riducendo il potenziale di diafonia. I progettisti devono prevedere uno spazio sufficiente per i piani di massa, assicurandosi che siano continui, ininterrotti e collegati al riferimento di massa generale del sistema.

Una corretta separazione tra le tracce di segnale e quelle di mass è essenziale per ridurre al minimo la diafonia. I piani di massa devono essere collocati tra le tracce di segnale o i layer segnale per fornire schermatura e isolamento. Questo aiuta a prevenire l'accoppiamento elettromagnetico tra segnali adiacenti e a ridurre il rischio di diafonia. È necessario mantenere una spaziatura adeguata e un instradamento accurato delle tracce di segnale e di massa per ridurre al minimo la capacità e l'induttanza tra di esse.

Per ridurre ulteriormente l'impatto della diafonia si possono utilizzare tracce di protezione e tecniche di schermatura. Le tracce di protezione, note anche come anelli di protezione, sono collocate intorno a circuiti analogici sensibili o ad alta impedenza per ridurre al minimo i disturbi e le interferenze. Esse fungono da schermo, impedendo ai campi elettromagnetici esterni di accoppiarsi con le tracce sensibili. Per isolare i componenti sensibili o i percorsi di segnale critici dalle sorgenti di rumore esterne si possono utilizzare anche tecniche di schermatura, come gli schermi con messa a terra o le scatole di metallo.

5 - Condensatori di bypass

I condensatori di disaccoppiamento svolgono un ruolo fondamentale nella riduzione del rumore di alimentazione e della diafonia. Forniscono un percorso a bassa impedenza verso terra per i disturbi ad alta frequenza, contribuendo a stabilizzare la tensione di alimentazione e a mitigare i potenziali effetti di diafonia. I condensatori di disaccoppiamento devono essere collocati in prossimità dei pin di alimentazione e di terra dei circuiti integrati che devono disaccoppiare. È necessario ridurre al minimo la lunghezza della traccia tra i condensatori e i circuiti integrati per minimizzare l'induttanza parassita e massimizzare la loro efficacia.

6 - Analisi e simulazione del layout

L'analisi e la simulazione pre-layout sono un passo fondamentale per mitigare la diafonia. Utilizzando un software avanzato di progettazione di PCB e strumenti di simulazione elettromagnetica, i progettisti possono analizzare i potenziali problemi di diafonia prima che il layout del PCB sia finalizzato. La simulazione aiuta a identificare le aree critiche soggette a diafonia, a valutare l'integrità del segnale e a valutare l'efficacia delle diverse tecniche di mitigazione. Simulando vari scenari e ottimizzando il progetto in base ai risultati, i progettisti possono affrontare in modo proattivo i problemi di diafonia.

Una volta completato il layout del PCB, è necessario condurre un'analisi e una convalida post-layout per verificare l'efficacia delle tecniche di mitigazione della diafonia implementate. L'analisi dell'integrità del segnale, i diagrammi a occhio (Figura 2) e le misure di riflettometria nel dominio del tempo (TDR) possono essere eseguiti per valutare le prestazioni dei segnali critici e il livello di riduzione della diafonia raggiunto. Qualsiasi problema identificato può essere affrontato con modifiche al progetto o misure di mitigazione aggiuntive.

Figura 2: Diagramma ad occhio (Fonte: Tektronix)

7 - Progettazione dello stackup

La scelta dello stackup in un progetto PCB può avere un impatto significativo sulla diafonia e sull'integrità del segnale. Lo stackup determina la disposizione e l'ordine dei piani di segnale, di massa e di alimentazione nel PCB. I progettisti devono considerare i seguenti fattori quando progettano lo stackup del livello di segnale:

• Separazione dei segnali sensibili: I segnali critici, come le coppie differenziali ad alta velocità o i segnali analogici, devono essere collocati su strati separati per ridurre al minimo la diafonia. Isolando questi segnali dai segnali digitali rumorosi o ad alta velocità, è possibile ridurre il rischio di interferenze e diafonia;
• Posizionamento del piano di riferimento: I piani di massa e di alimentazione devono essere posizionati adiacenti ai livelli di segnale per fornire un percorso di ritorno a bassa impedenza e ridurre al minimo l'accoppiamento tra i segnali. L'uso di piani di massa solidi aiuta a schermare i segnali sensibili e a ridurre le interferenze elettromagnetiche;
• Considerazioni sull'impedenza controllata: La sovrapposizione degli strati deve essere progettata per ottenere l'impedenza controllata desiderata per i segnali ad alta velocità. La scelta dei materiali dielettrici e dei loro spessori tra gli strati di segnale e i piani di riferimento influisce direttamente sull'impedenza caratteristica delle linee di trasmissione;
• Posizionamento dei via e degli stub: Il posizionamento dei via (Figura 3) e la gestione degli stub svolgono un ruolo fondamentale nel ridurre al minimo la diafonia. I via che collegano le tracce di segnale tra gli strati devono essere posizionati il più vicino possibile alle piazzole di origine e di destinazione. Riducendo al minimo la lunghezza di via e stub, è possibile ridurre il potenziale di diafonia. Inoltre, è essenziale terminare o rimuovere correttamente gli stub per evitare riflessioni e interferenze indesiderate.

Figura 3: Il posizionamento dei vias può contribuire a ridurre la diafonia

8 - Strumenti di simulazione e analisi

Gli strumenti di simulazione e analisi sono essenziali per identificare e ridurre i problemi di diafonia nei progetti di PCB. Questi strumenti consentono ai progettisti di prevedere e valutare l'integrità del segnale, di valutare gli effetti della diafonia e di ottimizzare il layout per migliorare le prestazioni. Questi strumenti di simulazione includono:

• Strumenti di simulazione del campo elettromagnetico, come il metodo degli elementi finiti (FEM) o il dominio temporale delle differenze finite (FDTD), che consentono ai progettisti di visualizzare e analizzare il comportamento elettromagnetico dei segnali su un PCB. Identificando le aree critiche ad alta diafonia, i progettisti possono modificare il layout, regolare l'instradamento o utilizzare tecniche di schermatura per mitigare la diafonia;
• Gli strumenti di analisi dell'integrità del segnale aiutano a valutare la qualità dei segnali, a valutare l'impatto della diafonia e a prevedere potenziali problemi di integrità del segnale. Questi strumenti analizzano parametri come le metriche di integrità del segnale, i diagrammi a occhio e i budget di temporizzazione per garantire il corretto funzionamento dei segnali ad alta velocità;
• Gli strumenti di analisi della diafonia si concentrano specificamente sull'identificazione e sulla quantificazione degli effetti di diafonia nei progetti di PCB. Questi strumenti simulano l'accoppiamento dei segnali, stimano il livello di interferenza e valutano l'impatto sulla qualità del segnale.

Conclusioni

La diafonia è una sfida persistente nei progetti di PCB, soprattutto con il progredire della tecnologia e l'aumento della richiesta di velocità e densità più elevate. Tuttavia, con una comprensione approfondita dei meccanismi di diafonia e l'applicazione di tecniche di mitigazione efficaci, i progettisti possono garantire un'integrità del segnale affidabile e prestazioni ottimali dei loro progetti.

18.12.2023