Le migliori tecniche per la riduzione del crosstalk

Il crosstalk, o diafonia, è uno dei problemi più insidiosi e difficili da risolvere in cui possono incorrere i circuiti stampati. La cosa più grave, è che solitamente esso si manifesta soltanto nella fase finale di un progetto e, spesso, in modo intermittente o non facilmente riproducibile. Diventa quindi importante, per ogni progettista elettronico, eliminare precocemente tutte le possibili cause che determinano l'insorgenza del crosstalk su un PCB. Il crosstalk genera effetti indesiderati sul segnale di clock, sui segnali periodici e di controllo, sulle linee dati e sugli I/O. Come effetto del crosstalk, i livelli di corrente e di tensione possono superare le soglie tipiche dei dispositivi logici, generando dei "falsi" stati logici che possono pregiudicare il funzionamento di molti circuiti. Il crosstalk può anche avere effetti negativi sui segnali analogici, aggiungendo del rumore indesiderato. Nei prossimi paragrafi vedremo più in dettaglio in cosa consiste il crosstalk e come questo fenomeno possa essere analizzato ed eliminato, soprattutto se il circuito utilizza segnali ad elevata frequenza.

Crosstalk e PCB

Con il termine crosstalk si intende l'accoppiamento indesiderato di tipo elettromagnetico che si crea tra le tracce di un circuito stampato. Un valore eccessivo di tensione o corrente relativo a una traccia provoca così degli effetti indesiderati su un'altra traccia, senza che le due siano in contatto fisico tra loro. Questo fenomeno si verifica tipicamente sui PCB in cui alcune tracce non sono sufficientemente distanziate tra loro. La spiegazione del fenomeno è molto semplice. Un conduttore attraversato da un flusso di cariche elettriche genera sempre un campo elettromagnetico di una certa intensità. Incrementando la velocità (frequenza) del segnale, aumenta la probabilità che esso induca un accoppiamento su un segnale adiacente. Più precisamente, esistono due tipi di accoppiamento: accoppiamento induttivo (o magnetico) e accoppiamento capacitivo (o elettrico).

Quando una corrente scorre attraverso un conduttore, come ad esempio la traccia di un PCB, si genera un campo magnetico. Quando questo campo raggiunge una traccia adiacente, induce una forza elettromotrice (tensione) in base alla seconda legge dell'induzione di Faraday. Questo fenomeno è noto come accoppiamento magnetico o induttivo e diventa un problema quando la tensione indotta è sufficiente a compromettere l'integrità del segnale sulla stessa traccia.

Oltre al campo magnetico, la corrente che scorre nella traccia di un PCB può anche generare un campo elettrico. Quando esso raggiunge una traccia adiacente, si crea un accoppiamento di tipo capacitivo, con conseguente degrado dell'integrità del segnale. Questo fenomeno è anche noto come capacità parassita. In Figura 1 è visibile un diagramma ad occhio, una delle tecniche maggiormente utilizzate per misurare l’integrità del segnale.

Figura 1: Diagramma ad occhio.

Oltre che su tracce adiacenti poste sullo stesso layer, il crosstalk può manifestarsi tra tracce parallele appartenenti a layer adiacenti. Questo effetto, noto anche come accoppiamento broadside, avviene quando i due layer sono separati da uno spessore ridotto di materiale dielettrico. Questo spessore può essere di 4 mils (0,1 millimetri), in genere inferiore alla distanza tra due piste poste sullo stesso layer. Come vedremo tra poco, uno degli accorgimenti utilizzati per eliminare il crosstalk è quello di mantenere uno spazio sufficiente tra le tracce che portano segnali ad elevata velocità. Una regola empirica è quella di interporre tra le tracce adiacenti uno spazio almeno pari a tre volte la loro larghezza.

Tecniche di riduzione del crosstalk

Anche se il crosstalk non può essere eliminato completamente, esso può essere ridotto a un punto in cui non provoca effetti significativi sull'integrità del segnale. Dopo aver visto in cosa consiste il crosstalk, possiamo analizzare le principali tecniche comunemente utilizzate durante la progettazione del PCB per mitigare questo rischio.

1. Distanza minima tra le tracce
Durante la definizione del layout del PCB, è possibile impostare nello strumento CAD utilizzato alcune regole, come ad esempio la distanza minima tra due tracce e la distanza minima tra ogni traccia e i componenti presenti sulla scheda. È inoltre possibile impostare differenti valori di distanza relativi a una particolare netlist oppure all'area in cui la netlist verrà sbrogliata. Gli applicativi software per la progettazione dei PCB includono spesso delle funzionalità con cui è possibile specificare la larghezza e la distanza di coppie differenziali di segnali, oppure su quali layer del PCB le netlist possono essere sbrogliate e quali direzioni preferenziali possono assumere le tracce. Online, sono inoltre disponibili diversi calcolatori in grado di stimare l’entità del crosstalk per tracce microstrip o stripline. La regola generale da tenere in debita considerazione è che l’accoppiamento, sia induttivo sia capacitivo, diminuisce con l’aumentare della distanza che separa le tracce.

2. Mantenere perpendicolari le tracce su layer adiacenti
I layer del PCB dovrebbero essere configurati in modo tale che i segnali che attraversano layer adiacenti abbiano delle direzioni tra loro perpendicolari, evitando assolutamente che le relative tracce siano parallele. Si usa anche dire che se su un layer le tracce seguono la direzione “da nord a sud”, sul layer ad esso adiacente le tracce dovrebbero seguire la direzione “da est a ovest”. Questa semplice precauzione consente di minimizzare gli effetti dell’accoppiamento broadside. Una rappresentazione grafica di questa tecnica è visibile in Figura 2: a sinistra il layout da evitare, a destra quello da applicare.

Figura 2: Alternare la direzione delle tracce sui layer adiacenti.

3. Utilizzare piani di massa
Tra due layer di segnali adiacenti è buona norma inserire un piano di massa (oppure, in alternativa, un piano di alimentazione). Così facendo, si riduce ulteriormente la possibilità che si verifichino degli accoppiamenti broadside. Questa soluzione presenta il duplice vantaggio di aumentare la distanza tra i layer e di fornire un migliore percorso di ritorno verso terra richiesto per i layer di segnale. In Figura 3 possiamo osservare un classico PCB a quattro layer, suddivisi in due layer segnali (esterni), un layer interno per il piano di massa (0V) e un layer interno per l’alimentazione.

Figura 3: Esempio di PCB multistrato (fonte: Micron).

4. Sfruttare i percorsi di ritorno a terra
Per quanto possa sembrare in contraddizione con quanto detto in precedenza, una tecnica alternativa per la riduzione del crosstalk consiste proprio nello sfruttare il parallelismo esistente tra le tracce, accoppiando il percorso di ritorno a terra con il segnale ad elevata frequenza. Poiché infatti il percorso di ritorno a terra ha la stessa ampiezza ma direzione opposta rispetto al segnale, gli effetti si eliminano tra loro con conseguente riduzione del crosstalk.

5.Utilizzare segnali differenziali
Un altro modo per garantire l’integrità del segnale, riducendo al minimo gli effetti prodotti dal crosstalk, è quello di utilizzare segnali differenziali, ovvero due linee di segnale con la stessa ampiezza ma polarità opposta che formano un unico segnale ad elevata velocità di trasmissione. Poiché in ricezione il segnale viene ottenuto come differenza tra le tensioni delle due linee di segnale, e poiché il rumore elettromagnetico impatta equamente su entrambe le linee, il segnale mantiene un’elevata integrità anche in presenza di un significativo rumore esterno. Il consiglio è quello di mantenere la più ampia distanza possibile tra le coppie di segnali differenziali e le altre tracce del PCB. Una regola empirica consiste nello scegliere una distanza pari ad almeno tre volte la larghezza della traccia.

6. Ridurre la larghezza delle tracce parallele
In tutti i casi in cui non sia possibile evitare il parallelismo tra le tracce, occorre fare in modo che la loro larghezza sia più corta possibile, riducendo in questo modo l’entità dell’accoppiamento.

7. Isolare i segnali di alta frequenza dalle altre tracce
I segnali ad elevata frequenza, come i clock, devono viaggiare su tracce il più possibile distanti dalle tracce che portano gli altri segnali. Anche in questo caso può essere applicata la regola empirica che consiste nello scegliere una distanza minima pari a tre volte la larghezza della traccia.

8. Isolare i segnali asincroni
Anche i segnali asincroni, come le linee di reset o gli interrupt, devono utilizzare tracce il più possibile distanti dai segnali ad elevata frequenza. Molto spesso i segnali asincroni sono collocati vicino alle linee di alimentazione e a quelle che comandano l’accensione e lo spegnimento, in quanto si tratta di segnali utilizzati soltanto in determinate fasi del funzionamento del circuito e non in modo continuo.

Conclusioni

Il crosstalk può avere conseguenze molto disastrose sul funzionamento di un circuito, soprattutto quando questo utilizza segnali ad elevata frequenza. La tendenza attuale del mercato dell’elettronica è quella di richiedere circuiti sempre più piccoli e veloci, con la conseguenza che le tracce hanno a disposizione sempre meno spazio e sono sempre più vicine tra loro. Questo aspetto, soprattutto quando le tracce viaggiano in modo tra loro parallelo, aumenta la possibilità che il campo elettromagnetico generato all'interno di una traccia interferisca con il segnale dell'altra. Diventa quindi importante, per il progettista del PCB, adottare le tecniche più adatte per eliminare o ridurre al minimo gli effetti prodotti dalla diafonia.