Strategie per la gestione delle correnti di ritorno in percorsi di segnale ad alta velocità

A basse frequenze, la corrente di ritorno si diffonde su tutto il piano terra. Ma, mentre le frequenze si innalzano nella gamma MHz e GHz, l'effetto della pelle limita la corrente di ritorno a una striscia stretta direttamente sotto la traccia del segnale. Lo spessore di questa distribuzione corrente è sull'ordine della profondità della pelle, che diminuisce con frequenza.

Una gestione corretta delle correnti di ritorno è essenziale per mantenere l'integrità del segnale (SI) e controllare le interferenze elettromagnetiche (EMI). Un percorso di ritorno gestito male può portare ad un aumento del crosstalk, del rimbalzo del suolo e delle emissioni irradiate che non soddisfano gli standard normativi. L'obiettivo principale è quello di garantire che il percorso corrente di ritorno rispecchia il percorso del segnale nel modo più vicino possibile, riducendo così l'area del ciclo e mantenendo il campo magnetico contenuto nella struttura della linea di trasmissione.

Strategie chiave per gestire le correnti di ritorno

Controllo dell'impedenza

L'impedenza di un solo piano di impedenza controllato è fondamentale per il comportamento di ritorno prevedibile. La caratteristica impedenza di una linea di trasmissione (ad esempio, microstrip o stripline) dipende dalla larghezza di traccia, spessore dielettrico, e la distanza al piano di riferimento più vicino. Quando l'impedenza è mismatched, si verificano riflessi del segnale, causando parte dell'energia di marcia in avanti-ritornare indietro.

Per le linee microstrip, la corrente di ritorno scorre sulla superficie superiore del piano terra adiacente direttamente sotto la traccia. Il rapporto tra la larghezza di traccia e l'altezza dielettrica (W/H) determina l'impedenza caratteristica. Per le strisce, la traccia è in panino tra due piani di terra, fornendo una migliore schermatura e un percorso di ritorno più strettamente accoppiato, ma attento via design è necessario per passare tra strati.

Proseguimento del piano terra

Un piano terra solido e ininterrotto è il fattore più importante per gestire le correnti di ritorno. Qualsiasi rottura nel piano (come una divisione del piano di segnale, una lunga slot per l'isolamento di potenza, o un foro per una via o un connettore) costringe la corrente di ritorno a viaggiare intorno all'ostacolo, creando un grande anello che irradia fortemente.

In PCB multistrato, assicurarsi che ogni livello di segnale abbia un piano di riferimento adiacente (terra o potenza) che è continuo. Se un piano di potenza viene utilizzato come riferimento, fornire condensatori di decoupling ad alta frequenza tra potenza e piano terra principale ai bordi del piano per consentire le correnti di ritorno a transizione senza intoppi.

Minimizzante aree di Loop

Per una determinata corrente di segnale I e area di loop A, il momento dipolo magnetico è proporzionale a I × A. Ridurre l'area di loop è raggiunto mantenendo la traccia del segnale e il suo percorso di ritorno più vicino possibile. In pratica, questo significa mettere tracce ad alta velocità adiacente ad un piano di terra con il discarico di grado inferiore a quello di dielettrico.

Evita gli angoli taglienti (usare 45° o curve curve) per evitare la folla corrente e gli aumenti locali in induttanza. Quando si invertono coppie differenziali, tenere le due tracce strettamente accoppiate (con traccia-to-traccia che spaziano meno o uguale alla distanza dal piano di riferimento) per garantire che la corrente di ritorno differenziale (che scorre idealmente nel piano terra) sia ridotta a causa della cancellazione del campo.

Tracce di protezione e routine coassiale

Le tracce di guardia sono tracce di rame poste sullo stesso strato del segnale e messe a terra attraverso via a intervalli regolari (tipicamente λ/20 o meno). Agiscono come percorsi di ritorno locali, contenenti campi elettrici e magnetici. Tuttavia, le tracce di guardia sono efficaci solo se sono sufficientemente larghe e strettamente accoppiate alla traccia del segnale. In molti casi, una traccia di guardia con cuciture tramite le vie di fissaggio può migliorare l'isolamento da 10-20 dB rispetto a nessuna guardia, magnale.

Quando si utilizzano le tracce di guardia, la spaziatura tra il segnale e la guardia dovrebbe essere inferiore o uguale alla distanza del piano terra (altezza). La larghezza di traccia della guardia dovrebbe essere almeno due volte la larghezza del segnale per fornire un percorso di bassa induttanza.

Ottimizzazione del livello di impilamento

Per segnali ad alta velocità, ogni livello di segnale dovrebbe avere un piano di riferimento adiacente (preferibilmente terra) senza un piano di alimentazione tra di loro. Un tipico stackup a 10 strati per il digitale ad alta velocità potrebbe assomigliare a: Top (segnale) – Ground – Signal – Ground – Power – Ground – Ground – Signal – Ground – Ground – Signal – Ground – Signal – Ground – Signal – Signal – Signal – Bottom. Questa configurazione garantisce che qualsiasi segnale su un piano esterno di riferimento abbia una distanza di terra immediata.

Quando i segnali devono cambiare i livelli, la corrente di ritorno deve passare al nuovo piano di riferimento. Fornire tornare vias (chiamato anche via terra o via di cucitura) adiacente al segnale tramite per consentire la corrente di ritorno a scorrere da un piano terra all'altro. Senza un ritorno via, la corrente di ritorno è costretta a trovare un percorso più lungo attraverso i bordi dell'aereo, creando un segnale grande.

Via Gestione

Le vie creano discontinuità nella linea di trasmissione perché introducono capacità, induttanza e cambiamento nel percorso di ritorno. L'induttanza di una via è proporzionale alla sua lunghezza e inversamente proporzionale al suo raggio. Per segnali ad alta velocità, minimizzare via robusta (la porzione inutilizzata della via barile) utilizzando back-drilling

Le correnti di ritorno incontrano attraverso due modi: quando il segnale attraverso un piano di terra passa attraverso un piano di terra, crea un anti-pad (un foro di sdoganamento) che interrompe l'aereo. La corrente di ritorno deve scorrere intorno all'anti-pad, che aumenta l'induttanza. Per ridurre questo effetto, utilizzare il più piccolo diametro anti-pad consentito e posizionare terreno attraverso la cucitura/20]

Considerazioni avanzate

Correnti di ritorno alle alte frequenze: effetto della pelle e distribuzione attuale

Le frequenze aumentano oltre poche centinaia di MHz, l'effetto della pelle costringe la corrente del segnale a scorrere vicino alla superficie della traccia, e la corrente di ritorno si concentra allo stesso modo sulla superficie del piano di riferimento. La densità corrente si deteriora in modo esponenziale dalla traccia. Per una linea di microstrip, la densità di corrente di ritorno sul piano terra è circa il 60-70% concentrato in una striscia la cui larghezza è circa 4 volte l'altezza dielettrica.

I progettisti devono garantire che il piano terra sia liscio e continuo, soprattutto nelle vicinanze della traccia del segnale.Evita di posizionare tramite pad, raggi di sollievo termico o slot lunghe all'interno di questa regione concentrata corrente.Per segnali differenziali, la corrente di ritorno in gran parte cancella nel piano terra (la corrente di ritorno della modalità differenziale è molto piccola), ma qualsiasi componente comune-modo richiederà ancora un percorso di ritorno pulito.

Segnali differenziali e Correnti di ritorno

I segnali differenziali offrono un'immunità intrinseca al rumore comune e riducono l'IME perché le correnti di ritorno nel piano terra sono idealmente zero. Tuttavia, in pratica, gli squilibri nella coppia (ad esempio, skew, variazioni di larghezza, o asimmetria di accoppiamento) convertono un'energia differenziale in modalità comune, che richiede poi un percorso di ritorno.

A velocità molto elevate, la corrente di ritorno per ogni gamba della coppia differenziale parzialmente si accoppia all'altra gamba piuttosto che scorrere nel piano terra. Questo è chiamato il percorso di ritorno accoupled П/strong>. La proporzione della corrente di ritorno che rimane nella coppia rispetto a che scorre nel piano terra dipende dal fattore di accoppiamento (determinato da traccia spaziatura). Coppie strette di terra (spacciamento altezza di ritorno)