Источники возникновения перекрестных помех в электронике

Виды перекрестных помех:
Емкостные ПП - вызванные воздействием электрического поля;
Индуктивные ПП - вызванные воздействием магнитного поля;
 

часто инженеры работают над улучшением систем на чипах (System on Chip - SoC), не принимая во вниманием воздействие возможных перекрестных помех. Это может привести к неработоспособности устройства после его проектирования, либо при его работе в определенных условиях. Это может привести к задержкам выхода рынок и перерасходу средств, выделенных на разработку устройства.

Трудности идентификации электромагнитных ПП

При оценке интенсивности ПП, инженеры в первую очередь оценивают емкостные перекрестные помехи.
Емкостные ПП сильны в непосредственной близости, но ослабевают на расстоянии от источника. Поэтому, инженеры могут не обращать внимание на емкостные помехи между сигнальными линиями, которые находятся на большом расстоянии друг от друга (единицы длин волн). Однако, индуктивную магнитную связь нельзя игнорировать даже между относительно удалёнными сигналами.

Оценка электромагнитных перекрестных помех гораздо сложнее. Во первых, проблему нельзя определить по одному параметру системы, например, сбою синхронизации. ПП часто проявляются как уменьшение некоторых главных критериев производительности. Также, ПП являются причиной возникновения помех между цифровыми, аналоговыми и радиочастотными блоками системы. Каждый из этих блоков может становиться как источником помех, так и подверженным их влиянию.

Поэтому электромагнитные ПП необходимо идентифицировать, и устранять в различных конструкциях еще на ранних этапах проектирования. Однако это становится финансово и технически невыгодно, поскольку дизайн устройства становится все более сложным.
 

Проблемы моделирования электромагнитных ПП

Первый фактор

Чтобы моделировать электромагнитные ПП правильно, инженерам нужно анализировать и моделировать чрезвычайно сложные физические структуры:
- Дорожки печатных плат;
- Обвязка и другие элементы, которые способствуют возникновению перекрестных помех;
- Слои печатных плат с питанием и заземлением;
- Группы слоев печатных плат;
- Крепление контроллеров к печатным платам;
- Слои для передачи служебной информации;
- Коннекторы;.

Большинство из этих структур имеют сложные физические параметры и геометрию, для которых требуется построение плотной сетки для моделирования сопротивления, емкости,индуктивности, емкостной связи и взаимной индукции.
 

Второй фактор

Второй фактор моделирования, увеличивающий размер анализа моделей заключается в том,что инженеры не могут анализировать электромагнитные ПП, ограничивая область анализа небольшой граничной областью в проекте. Анализ сигналов, поступающих от соседних дорожек, хорошо работает при оценке электрической емкостной связи.Тем не менее, магнитные поля могут перемещаться, образовывать петли за пределами непосредственной близости от сигналов других частей платы или окружать все расположение микросхемы.
Кроме того, сложно ограничить размер модели, созданной инструментами электромагнитных ПП, поскольку в нее не должны быть включены все сети (nets), которые способствуют проблеме ПП, а также все сети (nets) и структуры, которые могу повлиять на производительность цепи.

Для того чтобы быть полезным в разработке, модель ПП должна:

- Иметь возможность быстрого анализа и совместима со SPICE.

- Иметь возможность моделирования в различных нелинейных сценариях и возможность моделировать шумы в среде SPICE.

Эти  требования трудно удовлетворить с учетом типичного размера и сложности моделей перекрестных наводок.
 

Причины потребности в анализе перекрестных помех в SoС-системах

Электромагнитные ПП вызывают большое внимание со стороны инженеров из-за спроса на электронные системы, а также в связи с увеличением пропускной способности и уменьшением их размеров. В связи с этим возникает проблема того, что в высокоскоростных системах и каналах элементы находятся в непосредственной близости друг от друга.

Кроме того, постоянное увеличение частоты внутренних тактовых импульсов (от 5 до 10 ГГц) и увеличение скорости передачи данных (выше 10 Гбит/с) также способствует возникновению проблем, связанных с ПП. В этих условиях создаются перекрестные наводки; создаются тенденции, которые не позволяют игнорировать паразитную индуктивность и индуктивную связь в SoC-системах.

Строение SoC-систем, подверженных ПП

Существует множество новшеств проектирования архитектуры и приложений, которые способствуют ПП. Например, электромагнитные ПП зависят от частоты. Так же, тактовый сигнал с быстрым подъемом и падением содержит значительные гармонические составляющие частоты. Таким образом, на такте работающем на частоте 10 ГГц, имеется 5-я гармоническая частотная составляющая, которая работает на частоте 50 ГГц. Тем не менее , тем, кто ориентируются на частоту 25 ГГц, придется подумать о том, как безопасно смоделировать 3-ю гармонику, которая попадает в микроволновые частоты.
Электромагнитные ПП могут влиять на амплитуду сигнала или уровень шума. Таким образом, воздействие ПП еще больше усугубляется снижением уровней напряжения сигнала и повышением чувствительности к шуму, обусловимым тенденциями снижения мощности в системах на схеме SoC.

В качестве источников перекрестных помех могут также использовать соединение Ethernet, Fibre Channel и межсоединения периферийных компонентов. Для обеспечения высокой скорости передачи данных в этих шинах используется несколько последовательных каналов,которые работают параллельно. Например, Ethernet (100 Гбит/c) может использовать 10 каналов, каждый из которых работает со скоростью 10 Гбит/с. Когда в одной системе находится большое количество высокоскоростных последовательных каналов, каждая полоса может стать потенциальным агрессором или потенциальной жертвой - настоящим кошмаров ПП.

К другим причинам позникновения ПП можно отнести:

- Высокоскоростные аналоговые блоки на одной однокристальной системе;
- Несколько высокоскоростных сетей тактовых импульсов на одной микросхеме;.
- Радиочастотные или высокоскоростные аналоговые блоки, расположенные рядом с высокоскоростными цифровыми блоками. (Общую землю и силиконовые основы нельзя использовать в качестве основы. Кремниевая подложка остается ключевым каналом распространения шума между блоками);
- Уплотнительные кольца и линии, добавленные при отливки изделия;
- Конструкция с низким энергопотреблением и малым отношением “сигнал-шум”.
- Встроенные технологии упаковки на уровне платы. Несколько устройств в непосредственной близости повышают вероятность электромагнитных ПП.

Не все енструменты EDA могут моделировать ПП

Интеграция SoC позволяет объединить высокоскоростные цифровые схемы, аналоговые и радиочастотные блоки. Это создает множество возможностей для ПП внутри этих компонентов и между различными блоками. Большинство электронных средств автоматизации проектирования (EDA) предназначены для конкретного типа конструкции, например, для проектирования цифровых, аналоговых или радиочастотных компонентов. Однако эти границы не ограничивают ПП. Другими словами, инженеры, которые обычно используют для проектирования электронных компонентов, могут игнорировать ПП. С появлением передовых технологий и архитектур однокристальных систем игнорирование электромагнитных перекрестных наводок является рискованным делом.