Zbyt bliskie umieszczenie na płytce PCB ścieżek względem siebie, może powodować sprzęganie sygnału (w całym obwodzie, bądź jego części), zwane przesłuchem. Efekt ten prowadzi do zniekształceń sygnałów i obniża funkcjonalność płytki drukowanej oraz zespołu płytek.
Przesłuch – co to takiego…?
Wyobraźmy sobie taką sytuację. Jesteśmy na przyjęciu… Próbujemy porozmawiać ze znajomym, który siedzi przy tym samym stole, co my. Niestety, między nami znajduje się dodatkowa osoba, która rozmawia z kimś po drugiej stronie naszego stołu. Przez zaistniałe zamieszanie dialog nie jest łatwą sprawą. Ponowna próba nawiązania kontaktu również nie przynosi oczekiwanego rezultatu. Nie dogadaliśmy się… Mieliśmy przesłuch!
O ile przesłuch podczas rozmowy może być bardzo denerwujący, o tyle w layoucie PCB może mieć on o wiele poważniejsze skutki… I powodować, że płytka w ogóle nie będzie działać lub mogą występować w jej działaniu sporadyczne problemy – takie, jak np. utrata części ważnych informacji. Przyjrzyjmy się dokładniej przesłuchom i zapoznajmy się ze sposobami walki z tymi niepożądanymi zjawiskami.
Jak zniwelować przesłuchy podczas projektowania płytek PCB?
Przyczynę problemu możemy upatrywać w zbyt małym odstępie pomiędzy równoległymi ścieżkami, na płytce PCB. Co za tym idzie, jeśli sygnał różnicowy przepływający przez pierwsze połączenie, ma większą amplitudę niż sygnał płynący równolegle do niego, to może on agresywnie na niego wpływać. Inaczej rzecz ujmując, sygnał płynący przez „ścieżkę – ofiarę” zacznie naśladować cechy „sygnału – agresora”, zamiast przekazywać własną, niezależną od niego informację.
Oprócz potencjalnego przesłuchu między dwiema ścieżkami znajdującymi się obok siebie (na tej samej płytce) istnieje jeszcze ryzyko, że sygnały biegnące równolegle do siebie na jednej warstwie PCB będą dodatkowo przebiegać równolegle względem ścieżek znajdujących się na kolejnej płytce (warstwie) w stosie, wpływając bezpośrednio na siebie. Efekt ten jest znany jako sprzężenie burtowe, a powodem jego powstawania jest fakt, iż dwie warstwy sygnałowe są oddzielone od siebie bardzo małą przestrzenią – materiałem rdzenia o grubości rzędu 4 mili (około 0,1 milimetra). Odległość ta jest często mniejsza niż odstęp pomiędzy dwiema ścieżkami na tej samej warstwie płytki PCB.
Metodologia projektowania płytek PCB w celu uniknięcia przesłuchów…
Oto kilka podstawowych wskazówek dotyczących projektowania PCB, które pozwolą nam uniknąć potencjalnych obszarów przesłuchu w projektach:
- Zachowanie możliwie dużej odległości pomiędzy parami różnicowymi a innymi ścieżkami sygnałowymi. Podstawową zasadą jest przerwa równa 3-krotnej szerokości ścieżki.
- Zachowanie jak największej odległości pomiędzy routingiem sygnału zegara a routingiem pozostałych sygnałów. Tutaj również występuje podobna zasada, jak w punkcie 1, czyli przerwa równa 3-krotnej szerokości ścieżki.
- Zachowanie możliwie dużej odległości między różnymi zestawami par różnicowych. Ogólna zasada występująca tutaj to przerwa równa 5-krotnej szerokości ścieżki.
- Sygnały asynchroniczne (RESET, przerwanie (INTERRUPT) itp.) powinny być prowadzone z dala od magistrali i sygnałów wysokiej prędkości (high speed signals). Ponadto nie ma problemu z prowadzeniem ścieżek sygnałów asynchronicznych obok sygnałów włączania i wyłączania (on/off) modułów lub włączania zasilania, ponieważ sygnały te są rzadko używane podczas normalnej pracy płytki.
- Zespół płytek należy zaprojektować tak, aby ścieżki rozmieszone na dwóch sąsiadujących ze sobą warstwach sygnałowych krzyżowały się, zamiast przebiegać równolegle względem siebie. Inaczej, jeśli ścieżki na warstwie numer 2 przebiegają „z północy na południe”, należy upewnić się, że na warstwie numer 3 będą one przebiegać „ze wschodu na zachód”. W ten sposób zminimalizujemy możliwość powstania sprzężenia burtowego.
- Należy również użyć płaszczyzn uziemienia między dwiema sąsiednimi warstwami sygnałowymi, celem zmniejszenia ryzyka sprzężenia szerokokątnego. Nie tylko wpłynie to na zwiększenie odległości między warstwami, ale dodatkowo konfiguracja ta zapewni znacznie lepszą drogę powrotną sygnału.
Podsumowując…
Przesłuch wpływa bezpośrednio na niezawodność i funkcjonalność układów. Może powodować bardzo poważne problemy w projektach – zarówno tych prostszych, jak i bardziej złożonych – od utraty informacji, po całkowitą awarię części obwodu drukowanego, jak i całej płytki PCB lub zespołu płytek. Niektórzy inżynierowie oraz entuzjaści elektroniki kierują się błędnym tokiem myślenia i nie biorą pod uwagę możliwości występowania negatywnego sprzężenia sygnałów… A wystarczy jedynie podczas procesu projektowania płytek drukowanych wziąć pod uwagę kilka wskazówek, które zostały dokładniej wymienione i opisane powyżej. Pozwala to na zaoszczędzenie dużej ilości czasu i pieniędzy, związanych z wprowadzaniem potencjalnych poprawek.
Więcej o przesłuchach w PCB dowiecie się podczas prelekcji Krzysztofa Czuby z Politechniki Warszawskiej w ramach tegorocznej edycji Konferencji EMC for Business, która odbędzie się w dniach 10-11.10.2019 roku w Hotelu Mercure Centrum we Wrocławiu.
