Page 1. Elettronica delle telecomunicazioni II ETLC2 - D2 08/06/ DDC 1. Politecnico di Torino Facoltà dell Informazione. Lezione D3.

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1 Modulo Politecnico di Torino Facoltà dell Informazione Elettronica delle telecomunicazioni II D Integrità di segnale D2 Diafonia e ground bounce» Diafonia per Lm e Cm» Contenimento della diafonia» Diafonia per maglie comuni» Distribuzione alimentazione Diafonia Accoppiamenti L e C Modello per diafonia Distribuzione dell alimentazione Modello per ground bounce Come limitare diafonia e ground bounce Riferimenti nel testo Diafonia Accoppiamento su maglie comuni 5.S2 Lezione D3 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Indice della lezione D3 Diafonia e Crosstalk Diafonia accoppiamenti induttivi e capacitivi modello per la diafonia Distribuzione dei segnali Disturbi su massa e alimentazione correnti impulsive ground bounce condensatori di bypass Distribuzione di massa e alimentazione Crosstalk o diafonia: passaggio di segnale tra due conduttori Tra conduttori diversi: accoppiamenti di tipo induttivo e capacitivo, (raramente) accoppiamenti di tipo resistivo. Sullo stesso conduttore (tra segnali diversi) accoppiamento per maglie comuni correnti impulsive in uscita corrente impulsiva di alimentazione 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Accoppiamento tra conduttori Terminologia Tra conduttori vicini sono presenti accoppiamenti induttivi (induttanza mutua L M ) accoppiamenti capacitivi (capacità mutua C M ) L M e C M sono distribuiti su tutta la lunghezza del conduttore Accoppiamenti Lm e Cm segnale disturbante Estremo vicino (driver) Onda incidente (diretta, forward) Linea disturbante (aggressore) Linea disturbata (vittima) Terminazioni adattate Onda riflessa (backward) Estremo remoto (receiver, terminazione) 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Page DDC 1

2 Modello di sistema e segnali Parametri di accoppiamento Modello a linee: Due linee adattate al driver e alla terminazione, con induttanza mutua L M e capacità mutua C M Il segnale Vs si propaga lungo la linea superiore Accoppiamenti induttivi (Lm) e capacitivi (Cm) generano disturbi nella linea inferiore Segnale disturbante (V S ): forma trapezoidale (dv/dt finito) V S t r V I disturbi sono legati a: pendenza del fronte disturbante (dvs/dt, dis/dt) Induttanza mutua Lm, Capacità mutua Cm 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Modello accoppiamento capacitivo Effetto dell accoppiamento capacitivo Gli accoppiamenti capacitivi determinano una iniezione di corrente (I CM ), che origina una variazione di tensione V XC = Z /2 I CM = Z /2 C M dvs/dt V XC ha lo stesso segno del segnale disturbante, e si propaga con la stessa polarità nelle due direzioni V S C M V S I CM C M Larghezza dell impulso V XC pari al tempo di salita di V S C M Z Z V XC Z /2 B C V XC F C 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Modello accoppiamento induttivo Effetti dell accoppiamento induttivo Gli accoppiamenti induttivi determinano una forza elettromotrice indotta V XL. V XL = Lm dis/dt il segno è tale da opporsi alla variazione di flusso determianta da I S V XL ha polarita' positiva verso il lato da cui entra la corrente Is per gradini positivi è il lato rivolto verso il driver della linea disturbante segnali di segno opposto nelle due direzioni. L M I S L M V S L M Z Z V XL + V XL B L F L 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Page DDC 2

3 Effetto complessivo Somma dei disturbi Termine progressivo verso la terminazione ( ): V XC -V XL /2 Termine regressivo verso il driver ( ): V XC + V XL /2 Segni opposti nel termine progressivo i due contributi possono compensarsi a vicenda Uguale velocità di spostamento pari alla velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche in quel conduttore Stessa velocità, quindi i disturbi propagati verso la terminazione (diafonia diretta) si sommano con i nuovi disturbi disturbo totale di durata costante (Tr), ampiezza variabile a seconda della posizione lungo la linea i disturbi propagati verso il driver (diafonia inversa) si affiancano ai nuovi disturbi disturbototaledi ampiezza costante, durata variabile a seconda della posizione lungo la linea (massimo 2 Tp). 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Analogia meccanica Segnali osservabili Tramoggia e nastro trasportatore Diafonia diretta durata costante (Tr), ampiezza variabile a seconda della posizione massima all estremo remoto Diafonia inversa ampiezza costante durata variabile a seconda della posizione massima (2 Tp) al driver 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Diafonia diretta Diafonia inversa A B C A B C A B C A B C 0 tp 2tP A B C 0 tp 2tP A B C 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Page DDC 3

4 Segnali osservabili Disturbo totale Diafonia diretta durata costante (Tr), ampiezza variabile a seconda della posizione massima all estremo remoto Near End A B C Far End Diafonia inversa ampiezza costante durata variabile a seconda della posizione massima (2 Tp) al driver Sulla linea compare sempre la somma dei due A B C 0 tp 2tP A B C 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Forward e backward crosstalk Indice della lezione D3 Disturbo diretto Segno opposto per termine L e C; possono compensarsi Disturbo inverso Stesso segno, si sommano Distribuzione dei segnali Microstrip crosstalk capacitivo leggermente minore di quello induttivo: forward crosstalk trascurabile, bckw crosstalk raddoppia Stripline: crosstalk induttivo e capacitivo sono uguali: forward crosstalk si annulla, backward crosstalk raddoppia 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Tenere sotto controllo il crosstalk Ridurre la velocità dei fronti Il crosstalk è legato a velocità dei fronti (segnale disturbante) accoppiamenti L e C margine di rumore (receiver) Per ridurre il crosstalk rallentare i fronti dei driver della linea disturbante ridurre Cm e Lm, usare segnali differenziali Velocità = dv/dt = V/ t Ridurre V famiglia transceiver a bassa escursione» segnali differenziali (LVDS) V S t V V Per ridurre gli effetti del crosstalk filtrare i receiver della linea disturbata Tecniche EDC 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Page DDC 4

5 Ridurre la velocità dei fronti Accoppiamenti capacitivi - 1 Velocità = dv/dt = V/ t Ridurre V famiglia transceiver V S a bassa escursione» segnali differenziali t (LVDS) t Aumentare t usare la famiglia logica più lenta (compatibile) criterio sempre valido: riduce anche il consumo e i disturbi V Capacità Cm: dipende da area, distanza, masse, materiali,... per ridurre Cm» allontanare le piste» inserire piano di massa C M C M C M 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Accoppiamenti capacitivi - 2 Ridurre gli accoppiamenti induttivi Inserire piste di guardia le piste di massa intercalate schermano i segnali adiacenti CM Segnale e corrente di ritorno percorrono una spira V AL Intercalare piste e piani di massa diventa un conduttore schermato Segnale CM Segnale l induttanza Lm tra due spire dipende da distanza, area concatenata, materiali,... Per ridurre Lm evitare spire ampie e concatenate 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Piani di massa continui Accoppiamenti induttivi In presenza di un piano di massa la corrente di ritorno sceglie in percorso più vicino al segnale il piano deve essere continuo Si formano spire concatenate anche quando le masse sono distanti dal segnale e in comune usare molte masse indipendenti SLOT 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Page DDC 5

6 Parametri di crosstalk Parametri di crosstalk Valori indicativi per dimensioni standard Piste senza piano di massa Zo 200 ohm Zm 100 ohm Crosstalk 50% Piste con piano di massa Zo 80 ohm Zm 125 ohm Crosstalk 25% Piste con schermatura Zo 100 ohm Zm 400 ohm Crosstalk 11% Il rapporto tra crosstalk L e C in circuiti a 50 ohm è generalmente circa 8. Si diminuisce il crosstalk: Aumentando D (separando le piste) Diminuendo H ( piste piu` prossime ai piani) Diminuendo Tpd (il tratto in cui le piste corrono parallele). Aumentando Trise (Usando tecnologie lente) Relazione empirica 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Strumento per calcolare crosstalk Ridurre gli effetti della diafonia Il disturbo di diafonia ha durata massima 2 t P I receiver possono filtrare segnali più brevi di 2 t P ricevitori a integrazione 2t P 2t P 2t P V O 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Ricevitori a integrazione Indice della lezione D3 Integratore seguito da comparatore Integratore resettato a ogni transizione Il comparatore scatta solo dopo alment Tx H o L fissi Ritardo intrinseco Distribuzione di massa e alimentazione 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Page DDC 6

7 Conduttori di alimentazioni e massa Corrente alla commutazione - 1 Nei conduttori di alimentazione e massa sono presenti disturbi dovuti a correnti che circolano in percorsi (maglie) comuni tra diverse parti dei circuiti: cadute di tensione per corrente costante: V = RI; Picco di assorbimento durante la commutazione» conduzione simultanea dei MOS p e n» flusso impulsivo di corrente tra Val e massa» indipendente dalla capacità in uscita totem pole current spike variazioni di tensione dovute alle variazioni di corrente causate dalle commutazioni logiche: V = L di/dt. V AL V IN V IN I D I D 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Effetto del totem pole current spike Dati numerici V AL LS VAL VS V IN Picco di corrente (ma)» ALS 10 AS 30» HC/HCT 20 AC/ACT 50» BCT/ALVC 30 ABT/LVT 25 I D Durata pari al tempo di transizione V IN I D ID VALE Induttanza dei pin»dip nh V G, V S»PLCC 10 nh LG VG» Wire bond 1 nh» Flip chip 0,1nH dati numerici 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Corrente alla commutazione - 2 Corrente nella capacità di uscita Corrente dovuta alla carica e scarica delle capacità in uscita durante le commutazioni per transizione 0-1: carica da Val per transizione 1-0: scarica su massa legato al carico capcitivo VIN VDD VOUT CO VIN VDD ICH CO VDD VDD VDD VDD VOUT VOUT VIN CO VIN ICH CO VIN CO VIN ICL CO 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Page DDC 7

8 Effetto delle correnti verso massa Effetti sulle uscite La corrente di scarica del condensatore circola nel conduttore di massa, determinando una caduta di tensione V G : ground bounce Il disturbo dipende da capacità del carico C L dv/dt della V B induttanza L G V = L di/dt; I = C dv/dt; V = L C d 2 V/dt 2 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Sommario degli effetti Sommario degli effetti Commutazione 1-0 picco di corrente in ground bounce disturbi sulle uscite a 0 V CC Commutazione 1-0 picco di corrente in ground bounce disturbi sulle uscite a 0 V CC Commutazione 0-1 picco di corrente in Vcc rimbalzo sull alimentazione disturbi sulle uscite a 1 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Sommario degli effetti Ground bounce e switching noise Il rumore di commutazione è proporzionale al numero di uscite che cambiano stato Rumore di commutazione simultanea V = L di/dt; I = C dv/dt; V = L C d 2 V/dt 2 Legato a velocità dei fronti capacità di carico induttanza dei collegamenti Val e Il ground bounce e il rumore di commutazione spostano massa e alimentazione Hanno effetti su altre porte dello stesso package (con masse e alimentazione in comune) spostano la tensione effettiva di ingresso spostano i livelli di uscita possono determinare auto-oscillazioni 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Page DDC 8

9 Autooscillazioni su linee hi-z Indice della lezione D3 Vi attraversa la soglia si ha commutazione» la caduta nel collegamento di massa sposta la soglia» lo spostamento della soglia può innescare oscillazioni Condensatori di bypass V DD VO I L Z P V G V I V O V I I L Z P V G V I V I V TH T1 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Ridurre i disturbi su e Val Distribuzione delle alimentazioni Le correnti Val- sono fornite dall alimentatore I collegamenti di massa e alimentazione sono lunghi e hanno elevata induttanza Per limitare i disturbi ridurre impedenza e resistenza dei conduttori di massa e alimentazione» piani continui di massa e di alimentazione evitare che correnti impulsive percorrano conduttori ad alta induttanza» condensatori di bypass dell alimentazione Piste larghe, piani di massa e di alimentazione bassa R e L Evitare tagli (file di pin allineati,...) evitare la formazione di spire con le correnti di ritorno 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Condensatori di bypass Condensatori di bypass Modello di distribuzione della massa e dell alimentazione con indicazione delle induttanze dei collegamenti verso l alimentatore V2 2 Le correnti provengono dall alimentatore, e determinano cadute di tensione sulle induttanze; 1 e 2 si disturbano a vicenda: V 1 (I 2 ), V 2 (I 1 ) I 2 V2 2 V AL V AL I 1 ALIMENTATORE 1 ALIMENTATORE 1 V1 Percorso comune 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Page DDC 9

10 Condensatori di bypass Condensatori di bypass Inserendo un condensatore di disaccoppiamento le correnti impulsive percorrono solo i tratti tra condensatore e componente. V2 2 Il condensatore viene ricaricato - in tempi lunghi - dall alimentatore V2 2 V AL V AL ALIMENTATORE 1 ALIMENTATORE 1 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Condensatori di disaccoppiamento Condensatori reali Obiettivo: evitare che correnti impulsive percorrano conduttori ad alta induttanza fornire i picchi di corrente per la commutazione con accumulatori vicini al componente condensatori di disaccoppiamento (bypass)» le correnti impulsive percorrono conduttori corti, a bassa induttanza gli accumulatori vengono ricaricati su tempi più lunghi (senza picchi di corrente) dall alimentatore Impedenza di un condensatore: 1/sC Z frequency (log) 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Condensatori reali Condensatori o induttanze? Impedenza di un condensatore: 1/sC Componenti reali: induttanza dei terminali resistenza di perdita» ESR: Equivalent Series Resistance circuito equivalente:» serie LRC» minima impedenza (ESR) alla risonanza Impedenza di un condensatore reale zona capacitiva zona induttiva risonanza Z resonant frequency frequency (log) 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Page DDC 10

11 Come ottenere bassa impedenza Dati numerici Condensatori di tipo diverso in parallelo Z C2 C3 C in serie a ESL e ESR (Equivalent Series Resistance) (modellano induttanza e resistenza dei terminali, e perdite del dielettrico). L dipende da dimensioni del componente e lunghezza dei terminali; SMD hanno induttanza molto piu' bassa. Z C1 C2 C3 C frequency (log) dati numerici tipo ESR (ohm) ESL (nh) ceramica multistrato DIP SMD /06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Valore dei condensatori di bypass Calcolo capacità di bypass Limitare ondulazione sul alimentazione e Q = carica immagazzinata nel condensatore V = Tensione ai capi del condensatore V= variazione di tensione ammessa t = durata dell intervento del condensatore Q = C x V; i = Q/ t =Cx V/ t (+ totem pole current spike) C = i x ( t/ V) Considerando ESR : C = i x t/( V- ESR x i) Se ESR troppo alta: Più condensatori in parallelo 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Diversi tipi di condensatore Tipi di condensatori Confronto tra combinazioni diverse di condensatori Meglio molti piccoli rispetto a pochi grandi Meglio SMD rispetto a PTH (minore ESL) Elettrolitici in alluminio: La ESR aumenta al diminuire della temperatura (x 10!); è misurabile con un generatore normale (50 ohm, 100 khz) Condensatori ceramici in Z5U: invecchiano e patiscono il freddo;» dopo ore vanno a 1/3 del valore originario. Preferibili quelli in X7R, che a ore va a 2/3. L'invecchiamento non è lineare (piu' rapido all'inizio); consigliabile un derating del 50% della tensione di lavoro Vedere sito MURATA 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Page DDC 11

12 Impedenza dei condensatori Punti critici per progetto del layout Stack_ up PCB (sequenza dei layer)» Impedenza controllata, diafonia Posizione dei componenti» Limitare rumore di commutazione Routing delle piste» Impedenza, diafonia Routing dei clock/ strobes» Minimo skew Routing dei bus» diafonia Routing dei piani di potenza» Rumore di commutazione (Routing per minimizzare EMI) 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Stackup 4 strati Stackup 6 strati 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Stackup 8 strati Stackup 10 strati 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Page DDC 12

13 Alimentazione, segnali, clock Stack-up PCB La distribuzione ha esigenze diverse: massa e alimentazioni: bassa impedenza» piani, griglie segnali punto-punto: basso Ttx, basso consumo» terminazioni serie, linee aperte segnali multipunto: basso Tp, poche riflessioni» IWS, terminazioni parallelo, basse capacità segnali clock: minimo skew» driver a basso skew, ricevitori a soglia controllata Ogni layer segnale si deve riferire ad un piano distribuito. Tutti i layer segnali devono avere una impedenza paragonabile. Layer di massa prossimi al lato del PCB dove sono allocati i componenti. Connettere i layer di massa allo chassis del sistema in piu' punti. 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Collocazione componenti Piste Aree a frequenza di lavoro maggiore al centro della scheda: Distanziare logiche veloci da interfacce esterne al sistema (connettori) Condensatori di decoupling a distanza max 1" dai pin di alimentazione del componente (più vicini ai pin di alimentazione) Tutte le piste minima lunghezza. topologia daisy chain, no stub. piste su layer adiacenti ortogonali tra loro. segnali "high speed" solo sui layer adiacenti a piani di massa. Piste critiche Clock e strobe» Meandri per equalizzare skew Segnali analogci 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Clock/ strobe Distribuire le masse Sempre sul layer prossimo ai piani di massa. Se cambiano layer: riferire ad altro piano di massa. Unire i due piani di massa con un foro di via molto vicino (100 mils Max) al via utilizzato dal clock per cambiare layer. Garantire almeno 3D/H di separazione tra clock/ strobe e altri segnali routati sullo stesso layer. D= distanza delle piste (centro centro) H= distanza delle piste rispetto al piano di riferimento. Piste sui layer adiacenti al clock/ strobe ortogonali. La pista non deve attraversare tagli sui piani. Garantire a ogni segnale un ritorno di massa nelle vicinanze 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Page DDC 13

14 Scelta del package Condensatori e resistenze Minimizzare area delle spire e lunghezza dei collegamenti Piani di riferimento vicini Flip chip preferibile a wire bond Condensatori tipo ESR (ohm) ESL (nh) ceram. multistrato DIP SMD Resistenze, con terminali a lunghezza minima 1/4 W assiale 2.5 nh 1/8 W assiale 1 nh 1/8 W SMD 0.9 nh 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Capacita sui pin di DIL Piani di potenza Capacita di ingresso (Cin) Capacita di uscita (Cout) 2-10 pf 80 pf effetto di conduttori lunghi: collegamenti delle sonde di oscilloscopio: 7.5 cm corrispondono a circa 200 nh, aggiungono 4.8 ns alle transizioni Tagli nei piani chiusi da C di bypass (100 pf low ESL) con via a minima distanza dalla pista che attraversa il taglio. Prevedere minimo 1 condensatore ogni 5 piste. Per diminuire EMI Contenere il routing dei segnali riferiti ad un piano a 3D (distanza layer segnali- piano) rispetto al bordo scheda. Guard ring intorno alla scheda sui layer segnali collegata a 0V logico con fori di via ogni 1.5 cm Max (= 1 GHz) 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Tabelle riassuntive Criteri di progetto - 1 Problema (effetto) causa» soluzione Sovratensioni (danni permanenti) Livelli DC non corretti (errori) Ritardo (rallentamento) Skew (rallentamento) Crosstalk (errori) Sovratensioni/ Overshoot disadattamento con Γ < 0» terminazione P o S circuiti LC poco smorzati nelle interconnessioni» aumentare lo smorzamento (R serie o parallelo) Livelli DC non corretti carico DC eccessivo» terminazioni AC» driver a corrente piu' alta» ridurre il carico DC 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Page DDC 14

15 Criteri di progetto - 2 Criteri di progetto - 3 Eccessivo ritardo non commuta su onda incidente» driver a corrente piu' alta, Ro più bassa» alzare Zo (ridurre i carichi) Eccessivo skew dispersione dei parametri (Z linea, tp, carichi)» famiglia transceiver a soglie controllate eccessivo rumore» bypass su alimentazione» ridurre crosstalk Usare collegamenti punto-punto Crosstalk transizioni V e I ripide (tr/f veloce)» driver a tr/f controllato» famiglia transceiver a basso swing» segnali differenziali percorsi comuni a impedenza alta» piani per e alimentazione separare i ritorni di segnale» attenzione ai connettori! Usare sempre la famiglia logica più lenta (compatibile con le specifiche di velocità) ottimizza anche il consumo e riduce i disturbi 08/06/ ETLC2 - D DDC 08/06/ ETLC2 - D DDC Verifica Quali sono gli effetti degli accoppiamenti induttivi e capacitivi tra le piste di un circuito stampato? Con quale meccanismo i percorsi comuni creano diafonia? Per ridurre la diafonia, conviene usare una famiglia logica lenta o veloce? Cosa sono il rumore di commutazione simultanea e il ground bounce? Quali criteri di layout possono ridurre la diafonia? A cosa servono i condensatori di bypass sull alimentazione? 08/06/ ETLC2 - D DDC Page DDC 15