시뮬레이션 분석에 기반한 PCB의 두 병렬 마이크로 스트립 라인 간의 누화 설계 전략

크로스토크 이론

전자기 이론에 기초하여 누화는 두 신호 라인 간의 전자기 디커플링을 나타냅니다. 신호선 간의 상호 용량과 상호 임피던스에 의해 발생하는 일종의 노이즈입니다.

그림 1에서 두 개의 병렬 라인 중 하나의 라인은 신호 소스(V_S ) 및 내부 임피던스(Z_OG ) 라인의 한쪽 끝과 부하 임피던스(Z_LG ) 다른 쪽에서는 접지를 통해 폐쇄 루프를 형성합니다. 다른 라인에는 저항만 있습니다(Z_OR 및 Z_LR ) 접지에 단선의 구조로. 이 그림에서 신호 소스가 있는 리드를 방출 라인 또는 간섭 라인이라고 하고 다른 라인을 수신 라인 또는 간섭 라인이라고 합니다.

구동 신호(1)가 방출 라인을 통과할 때 방출 라인과 수신 라인 사이의 기생 커패시턴스로 인해 반대 방향으로 간섭 신호가 생성됩니다. 한편, 구동 신호는 방출 라인을 통과하는 동안 수신 라인을 통과한 후 구동 신호와 반대 방향으로 간섭 전류를 유도하는 변화하는 자기장을 생성합니다. 간섭 전류 (2) 및 (3)은 구동 신호에 의해 방출 라인에서 수신 라인으로 디커플링된 누화 신호이다. 이것이 크로스토크가 생성되는 방식입니다.

누화는 원인에 따라 용량성 누화와 인덕턴스 누화로 분류할 수 있습니다. 정전 용량 누화는 상호 감결합 정전 용량에 의해 생성된 감결합 전압을 말하며, 인덕턴스 누화는 상호 감결합 인덕턴스에 의해 생성된 감결합 전류를 말합니다.

누화가 발생하는 위치에 따라 근단 누화와 원단 누화로 분류할 수 있다. 그림 1에서 근단 누화는 수신선 근단에서 구동 신호(1)에 의해 생성된 간섭 신호에 용량성 누화(3)와 인덕턴스 누화(2)를 더한 것입니다. 원단 누화는 수신 라인의 맨 끝에서 구동 신호(1)에 의해 생성된 간섭 신호로, 용량성 누화(3)와 인덕턴스 누화(2)를 역으로 추가합니다.

전자기 디커플링으로 인해 두 리드 사이에 누화가 발생합니다. 누화 분석은 구동 신호가 제공되는 수신 라인의 양측에 구동 신호 인덕턴스로부터 간섭 전압을 계산하는 것입니다. V_<작은>R (0)은 X가 0이고 V_{R일 때 수신 라인의 간섭 전압으로 설정됩니다.} (L)은 X가 L과 같을 때 수신 라인의 간섭 전압입니다. 그러면 두 가지 공식을 얻을 수 있습니다.

2개의 병렬 마이크로 스트립 라인 간의 누화 분석 시뮬레이션 모델

이 글에서 시뮬레이션 모델에 사용된 인쇄회로기판은 20x60mm(폭x길이)의 크기를 가지며, 유전율이 4.7인 기판 재료로 에폭시 적층 유리 섬유 FR-4를 사용한다. 그림 2는 시뮬레이션 모델의 단면도를 보여줍니다.

그림 2에서 상부 레이어는 배선 평면(마이크로 스트립 라인 평면)이고 하부 레이어는 이미지 평면입니다. 마이크로 스트립 라인은 이상적인 도체이고 이미지 평면은 이상적인 전도성 평면입니다. 두 개의 평행한 마이크로 스트립 라인의 매개변수는 L=40mm, W=0.5mm, H=0.3mm로 설정할 수 있습니다. 마이크로 스트립 라인의 특성 임피던스 공식에 따르면 ( ), 마이크로 스트립 라인의 특성 임피던스는 50Ω입니다.

참고:0.38mm

그림 3에서 방출 라인의 첫 번째 포트(P1)는 간섭 소스 포트입니다. 방출선과 수신선의 각 포트는 특성 임피던스(50Ω)로 연결되어 있으므로 수신선의 근단과 끝단에 도달하면 누화 신호가 흡수되어 다시 누화에 영향을 미치지 않습니다. 결과적으로 두 개의 마이크로 스트립 라인은 매개변수 S13 및 S14를 각각 계산할 수 있는 4포트 네트워크를 형성합니다. , .

TR_<작은>0 TR_{L 동안 수신 라인의 가까운 끝 부분에 대한 방출 라인의 누화를 나타냅니다.} 수신 라인의 맨 끝에 방출 라인의 누화를 나타냅니다.

시뮬레이션 결과 및 토론

• 주파수 변화에 따른 누화 강도

일반 신호는 주파수와 범위가 다른 사인파를 추가한 결과이므로 두 개의 마이크로 스트립 라인의 누화가 단일 사인파의 주파수에 따라 어떻게 변하는지 연구하는 것은 의미가 있습니다.

규칙을 더 잘 반영하기 위해 그림 4는 1mm와 3mm 값의 배선 거리(D)로 얻어지며 주파수에 따라 혼선이 어떻게 변하는지를 보여줍니다.

저주파수 범위에서 크로스토크의 강도는 원단 누화 또는 근단 누화에 관계없이 신호 주파수와 선형 관계를 갖는다는 결론을 내릴 수 있습니다. 고주파수 범위에서 근단 누화(S₁₃ )는 주파수가 증가함에 따라 강한 주기적인 진동을 보이는 반면, 원거리 누화는 반대로 작용한다. 이것은 주로 용량성 누화와 근거리/원단, 인덕턴스 누화와 근거리/원단 사이의 다른 거리에 의존합니다. 저주파 영역에서 위상은 이 두 가지 유형의 누화 및 포트와 거의 동일하며 적분 신호의 상대적 위상은 정도에 거의 영향을 미치지 않습니다. 그러나 고주파 범위에서 서로 다른 주파수에서 이 두 유형의 간섭 통합 신호의 범위가 위상 변화에 따라 주기적으로 변할 때 위상은 이 두 유형의 누화 신호 및 포트와 큰 차동을 가지므로 주파수에 따른 범위의 분명히 주기적인 진동.

• 배선 거리의 변화에 ​​따른 누화 강도

배선 거리(L)가 40mm, 기판 두께(H)가 0.3mm, 신호 주파수가 2GHz 및 5GHz일 때 배선 거리의 변화에 ​​따른 Crosstalk 강도의 시뮬레이션 결과는 그림 5와 같습니다.

이 그림에서 근단 크로스토크와 원단 크로스토크는 배선 거리가 커질수록 감소합니다. 배선거리가 1mm부터 증가하기 시작하면 크로스토크는 빠르게 감소하지만 거리가 증가할수록 크로스토크의 감소는 느려집니다. 물론, 거리가 폭의 3배 이상인 경우에는 라인간 거리를 늘려도 라인간 크로스토크를 개선할 수 없다. 두 개의 마이크로 스트립 라인이 너무 가까워지면 상호 커패시턴스와 인덕턴스가 너무 두드러져 누화가 크게 증가하기 때문입니다.

• 배선 길이의 변화에 ​​따른 누화 강도

배선 거리(D)가 2.0mm, 기판 두께(H)가 0.3mm, 신호 주파수가 1GHz 및 5GHz일 때 길이 변화에 따른 누화 강도의 시뮬레이션 결과는 그림 6과 같습니다.

그림 6에 따르면 신호 주파수가 1GHz일 때 병렬 길이의 확장에 따라 근거리 누화와 원단 누화의 강도가 증가합니다. 신호 주파수가 5GHz에 도달하면 병렬 길이의 확장에 따라 근단 누화의 강도가 증가하고 병렬 길이의 확장에 따라 원단 누화의 강도가 진동합니다. 이는 1GHz 주파수보다 5GHz 주파수에서 배선의 전기적 길이가 더 길고, 종단 포트에서 용량성 누화와 인덕턴스 누화의 위상이 크게 다르기 때문입니다.

• 마이크로 스트립 라인과 이미지 평면 사이의 거리 변화에 따른 누화 강도

마이크로 스트립 라인 특성 임피던스를 50Ω으로 유지하기 위해서는 W/H 값을 1.82로 유지해야 한다. 따라서 시뮬레이션 모델에서는 선폭과 이미지 평면 높이의 비율도 1.82로 유지됩니다.

ㅏ. 배선 길이(L)가 40mm, 두 선과 가장자리 사이의 거리가 1.0mm, 신호 주파수가 2GHz 및 5GHz일 때 상면 두께의 변화에 ​​따른 누화 강도는 그림 7과 같습니다.

그림 7에 따르면, 거리가 멀어짐에 따라 누화 강도가 증가하며, 특히 거리가 0~0.4mm 범위일 때 누화 강도가 너무 빠르게 증가하고 높이가 지속적으로 확장됨에 따라 속도가 느려지는 경향이 있습니다. . H가 0.5mm보다 크면 누화 강도는 기본적으로 그대로 유지됩니다. 마이크로 스트립 라인이 이미지 평면에 너무 가까우면 배선과 이미지 평면 사이의 디커플링이 너무 통합되고 배선 간의 디커플링이 너무 작기 때문입니다. 마이크로 스트립 라인과 이미지면 사이의 거리가 멀어지면 배선과 이미지면 사이의 디커플링이 약해지고 배선 사이의 디커플링이 증가합니다. 그러나 마이크로 스트립 라인과 이미지 평면 사이의 거리가 멀어짐에 따라 배선과 이미지 평면 사이의 디커플링이 너무 약해져서 배선 간의 디커플링에 거의 영향을 미치지 않습니다. 위의 분석을 바탕으로 전송선과 영상면 사이의 거리를 최대한 줄여서 누화를 더 잘 줄여야 합니다.

비. 배선 길이(L)가 40mm일 때 선간 거리가 선폭의 2배이고 신호 주파수가 2GHz와 5GHz일 때 상면 두께의 변화에 ​​따른 Crosstalk의 세기는 그림 8과 같다.

그림 8에 따르면 크로스토크 강도는 두 라인 사이의 거리가 라인 너비의 배수에 따라 거의 변하지 않습니다.

두 상황의 비교를 바탕으로 마이크로 스트립 라인과 이미지 평면 사이의 거리가 증가함에 따라 라인 사이의 거리가 변하지 않으면 누화 강도가 확대되고 거리가 안정적인 배수이면 크로스 토크 강도가 확대된다는 결론을 내릴 수 있습니다. 선폭의 크로스토크 강도는 거의 변하지 않습니다.

PCB 설계 전략

위의 분석 결과에 따르면 전송선로 간의 혼선을 줄이기 위한 몇 가지 전략이 아래에 나와 있습니다.
a. 고속 디지털 PCB의 경우 클럭 상승 에지 및 하강 에지 속도가 상대적으로 느린 부품을 픽업하여 신호 주파수를 낮추어야 합니다.
b. 장거리 병렬 레이아웃은 피해야 합니다.
c. 두 줄 사이의 거리를 늘려야 합니다.
d. 다층 PCB 설계는 전송선과 영상면 사이의 높이를 낮출 수 있도록 사용해야 합니다. 이미지 면이 더 높은 PCB를 사용해야 하는 경우 전송선 사이의 거리를 늘려야 합니다.

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