نویز Crosstalk و روش های حذف آن در برد مدار چاپی PCB

در این نوشته به بررسی یکی از مهمترین نویزهای داخلی یعنی نویز  Crosstalk می پردازیم.

Crosstalk چیست؟

امکان دارد نام نویز Crosstalk به گوش بسیاری از افرادی که در زمینه الکترونیک فعالیت دارند خورده باشد. اما تعریف و دیدگاه دقیقی از آن در ذهن نداشته باشند.

به نویز Crosstalk، نویز انتقالی با نویز تداخلی نیز گفته می شود. همانطور که از اسم آن پیداست به تداخل بین مسیرهای سیگنال گفته میشود. در تصویر زیر می بینیم که تشعشعات سیم مشکی رنگ به سیم قرمز رنگ رسیده است. آنچه در تصویر زیر می بینیم تصویری از Crosstalk Noise به زبان ساده است.

تصویر 1 – تصویر نویز Crosstalk به زبان ساده

مبحث Crosstalk Noise در طراحی های فرکانس بالا، که امروزه از مهمترین مباحث طراحی PCB بوده، مورد توجه قرار می گیرد. قبل از ادامه این مطلب چنانچه نیاز به اطلاعات بیشتر در رابطه با سیگنال های پرسرعت و ویژگی های آنها دارید، مبحث «سیگنال های پرسرعت را بهتر بشاسیم» را مطالعه بفرمایید. از آنجا که در یک سیگنال پرسرعت بخشی از انرژی از طریق مواد اطراف مسیر عبور می کند (در PCB از قسمت عایق بورد عبور می کند. بطور مثال از FR-4)، در نتیجه مقداری از آن انرژی به مسیرهای مجاور منتقل می شود و کیفیت سیگنالهای مجاور را خراب می کند. به این انرژی Crosstalk گفته می شود.

در تصویر زیر دو سیگنال که با رنگ های سبز و آبی مشخص شده را می بینیم. این سیگنال ها در عمل بر روی PCB در مجاورت هم قرار دارند. تغییر سیگنال سرعت بالای سبز رنگ بر روی سیگنال آبی رنگ تاثیر می گذارد. می بینیم که یک سیگنال با دامنه 5 ولت، یک نویز  Crosstalk با دامنه 20 میلی ولت بر روی سیگنال مجاور خود بوجود آورده است.

تصویر 2 – تاثیر نویز Crosstalk بر روی یک سیگنال در نرم افزار Altium Designer

دلایل بوجود آمدن نویز Crosstalk

• کوپلینگ بین خطوط سیگنال از جمله زوج سیم در یک کابل یا در یک بورد مدار چاپی.
• کنترل نامناسب پاسخ فرکانس در سیستم های مولتی پلکسر آنالوگ. که می تواند ناشی از فیلترهای معیوب یا طراحی فیلتر ضعیف باشد.
• عملکرد غیر خطی در سیستم های مولتی پلکسر آنالوگ.

منابع اصلی Crosstalk

سیگنال های پریودیک با فرکانس بالا مثل سیگنال های  Clock و یا زوج سیم های تفاضلی منبع اصلی نویز Crosstalk در یک PCB هستند. در نتیجه در طراحی PCB همیشه باید این مورد را درنظر داشته باشیم. چه در زمانی که این سیگنال های منبع اصلی Crosstalk را ترسیم می کنیم و چه در زمانی که قطعات مربوط به آنها را جایگذاری می کنیم و چه در زمانی که برای آنها شماتیک ترسیم می کنیم. این موارد در ادامۀ همین متن در قسمت « چگونه از Crosstalk جلوگیری کنیم؟» بررسی می شوند.

Broadside Coupling چیست؟

معمولاً تصور می شود كه نویز Crosstalk تنها بین دو مسیر موازی كه روی یك لایه از PCB قرار دارند اتفاق می افتد. در صورتی که امکان وقوع Crosstalk بین دو مسیر موازی که در دو لایۀ مجاور هستند نیز وجود دارد. به این حالت Broadside Coupling گفته می شود. زیرا دو لایه سیگنال مجاور با مقدار بسیار کمی از ضخامت دی الکتریک جدا می شوند. این ضخامت می تواند 4 میل (0.1 میلی متر) بوده که این فاصله در برخی مواقع از فاصله بین دو مسیر در یک لایه کمتر است. در نتیجه چنانچه در طراحی مدار مبحث Broadside Coupling را درنظر نگیریم، در عین حال که شاید به نظرمان اثر Crosstalk را حذف کرده باشیم، اما باز هم Crosstalk بین لایه های مجاور در مدار وجود دارد.

Crosstalk را بیشتر بشناسیم

از آنجایی که موج الکترومغناطیسی از امواج مغناطیسی و الکتریکی بوجود آمده است، در نتیجه نویز Crosstalk  که یک موج الکترومغناطیسی است، به دو صورت مغناطیسی (ناشی از خاصیت سلفی مسیر) و الکتریکی (ناشی از خاصیت خازنی بین دو مسیر) وجود دارد. در ادامه به بررسی کوپلاژ سلفی / مغناطیسی و کوپلاژ خازنی / الکتریکی می پردازیم.

تصویر 3 – کوپلاژ سلفی و خازنی مسیرهای PCB و بوجود آمدن Crosstalk

کوپلاژ سلفی / مغناطیسی

کوپلاژ سلفی بین هادی ها به دلیل وجود میدان مغناطیسی تولید شده توسط جریان جاری در هادی ها اتفاق می افتد. وقتی یک هادی دیگر در نزدیکی این هادی وجود داشته باشد، میدان تولید شده روی آن اثر می گذارد و این باعث ایجاد کوپلاژ سلفی می شود. استحکام یا بزرگی میدان مغناطیسی تولید شده توسط قانون بیوت ساوارت (Biot-Savart law) و جهت گیری نسبی بین جریان و شار مغناطیسی توسط قانون آمپر است.

تصویر 4 – کوپلاژ سلفی / مغناطیسی و بوجود آمدن Crosstalk

کوپلاژ خازنی / الکتریکی

هنگامی که جریان در یک هادی جاری می شود، علاوه بر میدان مغناطیسی، میدان الکتریکی نیز ایجاد می کند. تصویری از میدان الکتریکی در تصویر زیر نشان داده شده است. این شکل از میدان الکتریکی باعث ایجاد خازن می شود. به همین دلیل به کوپلاژ الکتریکی، کوپلاژ خازنی نیز گفته می شود.

تصویر 5 – کوپلاژ خازنی / الکتریکی و بوجود آمدن Crosstalk

در تصویر زیر نویز Crosstalk که بصورت کوپلاژ خازنی و کوپلاژ سلفی بوجود آمده را در یک تصویر می بینیم. از این تصویر برداشت می شود که Crosstalk ناشی از کوپلاژ خازنی در هر دو جهت موافق و مخالف (اصطلاحا Forward and Backward Crosstalk) بوجود می آید. اما Crosstalk ناشی از کوپلاژ سلفی تنها در جهت مخالف بوجود می آید.

تصویر 6 – کوپلاژ سلفی و خازنی و بوجود آمدن Crosstalk

چگونه از Crosstalk جلوگیری کنیم؟

پس از بحث در مورد نویز Crosstalk ببینیم که چطور از بوجود آمدن Crosstalk جلوگیری کنیم. در ادامه روش هایی را برای حذف نویز Crosstalk می بینیم.

• یک قانون متداول برای حاصل شدن اطمینان از اینکه نویز Crosstalk بین مسیرها اتفاق نمی افتد، قانونی به عنوان 3W (3 Width یا 3 برابر پهنای ترک) است. یعنی سیگنال هایی که امکان بوجود آوردن Crosstalk برای سیگنال های همجوار خود را دارند، از جمله سیگنال های جفت های دیفرانسیل و دیگر سیگنال های فرکانس بالا مثل خط Clock، به فاصله اندازۀ 3 برابر پهنایشان (مرکز به مرکز)، سیگنال حساسی قرار نگیرد.

تصویر 7 – قانون 3W برای جلوگیری از نویز Crosstalk

• فاصله بین مجموعه های مختلف جفت های دیفرانسیل حداقل 5 برابر عرض آنها باشد.
• سیگنال های ناهمزمان (مانند RESET ، INTERRUPT و غیره) باید حداقل 5 برابر عرض آنها از خطوط سیگنال های پرسرعت دور شوند.
• اطمینان حاصل کنیم که سیگنال های دو لایه از PCB که در مجاورت هم قرار دارد بصورت افقی و عمودی مسیریابی شود. و در دو لایه مجاور سیگنال ها بصورت موازی مسیریابی نشوند. با انجام این کار اثر Broadside Coupling به حداقل می رسد.

تصویر 8 – کاهش اثر Broadside Coupling

• یک راه بهتر برای کاهش پتانسیل بین دو لایه سیگنال مجاور ، جدا کردن لایه ها با یک لایه زمین بین آنها است. صفحات زمینی نه تنها فاصله بین دو لایه سیگنال را افزایش می دهد بلکه مسیر بازگشت مورد نیاز لایه های مسیر سیگنال را نیز فراهم می کند. این کار نیز در کاهش اثر Broadside Coupling بسیار موثر است. اطلاعات بیشتر در مورد مسیر بازگشت، در مبحث «سیگنال های پرسرعت را بهتر بشاسیم» بررسی شده است.
• اگر مصونیت بسیار زیادی در برابر نویز Crosstalkنیاز داریم، از خطوط گراند موازی با مسیر موردنظر استفاده کنیم. بهتر است این خطوط گراند را در طول مسیر با استفاده از حفره های Via به صفحات گراند مجاور متصل کرد.

تصویر 9 – خطوط گراند در اطراف خطوط منبع نویز Crosstalk

• سعی کنید طول مسیرهای موازی را حتی الامکان کوتاه کنید. این کار باعث کاهش مسیر در معرض Crosstalk و در نتیجه باعث کاهش Crosstalk می شود.
• نوع جدیدی از مواد Solder Mask با ضریب انتشار کم (DF) وجود دارد. در کاربردهایی که مصونیت بسیار زیاد در برابر انتشار خطوط در طول PCB و در نهایت نویز Crosstalk نیاز است، می توان با استفاده از این نوع Solder Mask ، تا حدودا (به گفتۀ مرجع تا 10%)انتشار را کاهش داد.
• جنس دی الکتریک استفاده شده در PCB هرچه ثابت دی الکتریک کمتری داشته باشد، باعث کاهش اثر نویز  Crosstalk می شود.

تصویر 10 – اثر جنس دی الکتریک بر نویز Crosstalk

• طراحی را با امپدانس پایین انجام دهید. اطلاعات بیشتر در مورد طراحی با امپدانس پایین، در مبحث «سیگنال های پرسرعت را بهتر بشاسیم» بررسی شده است.

نکات بیشتری در رابطه با روش های حذف Crosstalk وجود دارد که صرفا مربوط به حذف Crosstalk نبوده و بطور کلی مربوط حذف نویز است.

یک نکته در رابطه با نویز Crosstalk درنظر داشته باشیم که می توان Crosstalk را به عنوان یک مولفۀ بین کاناله یا  درون کانال طبقه بندی کرد. یعنی اینکه  اگر Crosstalk در فرکانس کاری مدار ما باشد، در نتیجه یک مولفه درون کاناله و در غیر این صورت یک مولفه بین کاناله است.

ابزارهای شبیه سازی Crosstalk

در برخی پروژه های با طراحی های حساس امکان دارد که نیاز به دیدن اثرات نویز از جمله نویز Crosstalk در محیط شبیه ساز باشد. نرم افزارهای مختلفی با این قابلیت وجود دارد. بطور مثال در نرم افزار Altium Designer  قابلیتی به عنوان Signal Integrity Analysis وجود دارد. در نرم افزار ANSYS قابلیتی به عنوان Electromagnetic Crosstalk Identification وجود دارد.

نتیجه گیری از نویز  Crosstalk و روش های حذف آن در PCB:

1. Crosstalk یکی از انواع نویز است که بر اثر کوپلاژ الکترومغناطیسی خطوط مجاور بر روی بوجود می آید.
2. مبحث Crosstalk Noise در طراحی های فرکانس بالا، که امروزه از مهمترین مباحث طراحی PCB بوده، مورد توجه قرار می گیرد.
3. کوپلینگ بین خطوط سیگنال از جمله زوج سیم در یک کابل یا در یک بورد مدار چاپی از موارد مهمی است که در طراحی PCB های کاربردهای میکروکنترلری باید مورد توجه قرار بگیرد.
4. سیگنال های پریودیک با فرکانس بالا مثل سیگنال های Clock و یا زوج سیم های تفاضلی منبع اصلی نویز Crosstalkدر یک PCB هستند.
5. نویزCrosstalk به دو صورت مغناطیسی (ناشی از خاصیت سلفی مسیر) و الکتریکی (ناشی از خاصیت خازنی بین دو مسیر) وجود دارد.
6. نویز Crosstalk می تواند در بین ترک ها در یک لایه یا در لایه های مجاور (Broadside Coupling) بوجود بیاید.
7. روش های حذف نویز Crosstalk را شناختیم.
8. در برخی کاربردها نیازمند ابزاهای شبیه ساز نویز Crosstalk هستیم.

آموزش های مرتبط با این نوشته:

فیلم آموزش طراحی PCB با آلتیوم مقدماتی

فیلم آموزش لحیم کاری و مونتاژ