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ETLC2 - D2 08/06/2006

2006 DDC 1

08/06/2006 - 1 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Politecnico di TorinoFacoltà dell’Informazione

Modulo

Elettronica delle telecomunicazioni II

D Integrità di segnale

D2 – Diafonia e ground bounce» Diafonia per Lm e Cm» Contenimento della diafonia» Diafonia per maglie comuni » Distribuzione alimentazione

08/06/2006 - 2 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Lezione D3

• Diafonia – Accoppiamenti L e C– Modello per diafonia

• Distribuzione dell’alimentazione– Modello per ground bounce

• Come limitare diafonia e ground bounce

• Riferimenti nel testo– Diafonia 5.2.10– Accoppiamento su maglie comuni 5.S2

08/06/2006 - 3 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Indice della lezione D3

• Diafonia – accoppiamenti induttivi e capacitivi– modello per la diafonia

• Distribuzione dei segnali

• Disturbi su massa e alimentazione– correnti impulsive – ground bounce– condensatori di bypass

• Distribuzione di massa e alimentazione

08/06/2006 - 4 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Diafonia e Crosstalk

• Crosstalk o diafonia:– passaggio di segnale tra due conduttori

• Tra conduttori diversi:– accoppiamenti di tipo induttivo e capacitivo,– (raramente) accoppiamenti di tipo resistivo.

• Sullo stesso conduttore (tra segnali diversi)– accoppiamento per maglie comuni– correnti impulsive in uscita– corrente impulsiva di alimentazione

08/06/2006 - 5 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Accoppiamento tra conduttori

Tra conduttori vicini sono presenti– accoppiamenti induttivi

(induttanza mutua LM)– accoppiamenti capacitivi

(capacità mutua CM)

LM e CM sono distribuiti su tutta la lunghezza del conduttore

08/06/2006 - 6 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Terminologia

Linea disturbante(aggressore)

Linea disturbata(vittima)

Terminazioni adattate

segnaledisturbante

AccoppiamentiLm e Cm

Estremo vicino(driver)

Estremo remoto(receiver, terminazione)

Onda incidente(diretta, forward)

Onda riflessa(backward)

ETLC2 - D2 08/06/2006

2006 DDC 2

08/06/2006 - 7 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Modello di sistema e segnali

• Modello a linee:– Due linee adattate al driver e alla terminazione,

con induttanza mutua LM e capacità mutua CM

• Segnale disturbante (VS):– forma trapezoidale

(dv/dt finito) tr

VS∆V

08/06/2006 - 8 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Parametri di accoppiamento

• Il segnale Vs si propaga lungo la linea superiore

• Accoppiamenti induttivi(Lm) e capacitivi (Cm) generano disturbinella linea inferiore

• I disturbi sono legati a:– pendenza del fronte

disturbante (dVs/dt, dIs/dt)

– Induttanza mutua Lm, Capacità mutua Cm

08/06/2006 - 9 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Z∞ Z∞

CM

Z∞ /2

CM

VS

VXC

ICM

Modello accoppiamento capacitivo

• Gli accoppiamenti capacitivi determinano unainiezione di corrente (ICM), che origina una variazionedi tensione

VXC = Z∞/2 ICM = Z∞/2 CM dVs/dt

08/06/2006 - 10 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

BC

CM

VXC FC

VS

Effetto dell’accoppiamento capacitivo

• VXC ha lo stesso segno del segnale disturbante, e sipropaga con la stessa polarità nelle due direzioni

Larghezza dell’impulso VXC pari al tempo di salita di VS

08/06/2006 - 11 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Z∞ Z∞

LM

Modello accoppiamento induttivo

• Gli accoppiamenti induttivi determinano una forzaelettromotrice indotta VXL.

– VXL = Lm dIs/dt– il segno è tale da opporsi alla variazione di flusso

determianta da IS

LMIS

VXL

08/06/2006 - 12 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

BL

LM

VXLFL

VS

+

Effetti dell’accoppiamento induttivo

• VXL ha polarita' positiva verso il lato da cui entra la corrente Is

– per gradini positivi è il lato rivolto verso il driver della lineadisturbante

– segnali di segno opposto nelle due direzioni.

ETLC2 - D2 08/06/2006

2006 DDC 3

08/06/2006 - 13 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Effetto complessivo

• Termine progressivo verso la terminazione (→):– VXC - VXL /2

• Termine regressivo verso il driver (←):– VXC + VXL /2

• Segni opposti nel termine progressivo– i due contributi possono compensarsi a vicenda

• Uguale velocità di spostamento– pari alla velocità di propagazione delle onde

elettromagnetiche in quel conduttore

08/06/2006 - 14 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Somma dei disturbi

• Stessa velocità, quindi …

• i disturbi propagati verso la terminazione(diafonia diretta) si sommano con i nuovi disturbi

• disturbo totale di durata costante (Tr), ampiezzavariabile a seconda della posizione lungo la linea

• i disturbi propagati verso il driver (diafonia inversa) siaffiancano ai nuovi disturbi

• disturbo totale di ampiezza costante, duratavariabile a seconda della posizione lungo la linea(massimo 2 Tp).

08/06/2006 - 15 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Analogia meccanica

• Tramoggia e nastro trasportatore

08/06/2006 - 16 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Segnali osservabili

• Diafonia diretta– durata costante (Tr), – ampiezza variabile a seconda della posizione– massima all’estremo remoto

• Diafonia inversa– ampiezza costante– durata variabile a seconda della posizione– massima (2 Tp) al driver

08/06/2006 - 17 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Diafonia diretta

A

B

C

A B C

0 tP 2tP

A B C

08/06/2006 - 18 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Diafonia inversa

A

B

C

A B C

0 tP 2tP

A B C

ETLC2 - D2 08/06/2006

2006 DDC 4

08/06/2006 - 19 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Segnali osservabili

• Diafonia diretta– durata costante (Tr), – ampiezza variabile a seconda della posizione– massima all’estremo remoto

• Diafonia inversa– ampiezza costante– durata variabile a seconda della posizione– massima (2 Tp) al driver

• Sulla linea compare sempre la somma dei due

08/06/2006 - 20 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Disturbo totale

A

B

C

A B C

0 tP 2tP

A B C

Near End Far End

08/06/2006 - 21 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Forward e backward crosstalk

• Disturbo diretto– Segno opposto per termine L e C; possono compensarsi

• Disturbo inverso– Stesso segno, si sommano

• Microstrip– crosstalk capacitivo leggermente minore di quello induttivo:– forward crosstalk trascurabile, bckw crosstalk raddoppia

• Stripline:– crosstalk induttivo e capacitivo sono uguali:– forward crosstalk si annulla, backward crosstalk raddoppia

08/06/2006 - 22 ETLC2 - D2 - 2006 DDC


• Distribuzione dei segnali

08/06/2006 - 23 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Tenere sotto controllo il crosstalk

• Il crosstalk è legato a– velocità dei fronti (segnale disturbante)– accoppiamenti L e C– margine di rumore (receiver)

• Per ridurre il crosstalk– rallentare i fronti dei driver della linea disturbante– ridurre Cm e Lm, usare segnali differenziali

• Per ridurre gli effetti del crosstalk– filtrare i receiver della linea disturbata– Tecniche EDC

08/06/2006 - 24 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Ridurre la velocità dei fronti

• Velocità = dv/dt = ∆V/∆t

• Ridurre ∆V– famiglia transceiver

a bassa escursione» segnali differenziali

(LVDS)∆t

VS∆V

∆V

ETLC2 - D2 08/06/2006

2006 DDC 5

08/06/2006 - 25 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Ridurre la velocità dei fronti

• Velocità = dv/dt = ∆V/∆t

• Ridurre ∆V– famiglia transceiver

a bassa escursione» segnali differenziali

(LVDS)

• Aumentare ∆t– usare la famiglia logica più lenta (compatibile)– criterio sempre valido:

riduce anche il consumo e i disturbi

∆t

VS∆V

∆t

08/06/2006 - 26 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Accoppiamenti capacitivi - 1

• Capacità Cm:– dipende da area,

distanza, masse,materiali, ...

– per ridurre Cm

» allontanare le piste

» inserire piano di massa

CM

CM

GND

CM

08/06/2006 - 27 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Accoppiamenti capacitivi - 2

• Inserire piste di guardia

– le piste di massaintercalate schermanoi segnali adiacenti

• Intercalare pistee piani di massa

– diventa un conduttore schermato

CM

GND

CM

GND

GNDGND

Segnale Segnale GND

08/06/2006 - 28 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

• Segnale e corrente di ritorno percorrono una spira

– l’induttanza Lm tra due spire dipende dadistanza, area concatenata, materiali, ...

• Per ridurre Lm evitare spire ampie e concatenate

Ridurre gli accoppiamenti induttivi

VAL

08/06/2006 - 29 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Piani di massa continui

– In presenza di un piano di massa la corrente di ritornosceglie in percorso più vicino al segnale

– il piano deve essere continuo

SLOT

08/06/2006 - 30 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Accoppiamenti induttivi

• Si formano spire concatenate anche quando le masse sono distanti dal segnale e in comune

– usare molte masse indipendenti

ETLC2 - D2 08/06/2006

2006 DDC 6

08/06/2006 - 31 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Parametri di crosstalk

• Valori indicativi per dimensioni standard

• Piste senza piano di massa– Zo 200 ohm Zm 100 ohm Crosstalk 50%

• Piste con piano di massa– Zo 80 ohm Zm 125 ohm Crosstalk 25%

• Piste con schermatura– Zo 100 ohm Zm 400 ohm Crosstalk 11%

• Il rapporto tra crosstalk L e C in circuiti a 50 ohm è generalmente circa 8.

08/06/2006 - 32 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Parametri di crosstalk

• Si diminuisce il crosstalk:– Aumentando D (separando le piste)– Diminuendo H ( piste piu` prossime ai piani)– Diminuendo Tpd (il tratto in cui le piste corrono parallele).– Aumentando Trise (Usando tecnologie lente)

• Relazione empirica

08/06/2006 - 33 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Strumento per calcolare crosstalk

• http://www.ultracad.com/ct_calc.htm

08/06/2006 - 34 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

2tP2tP2tP

Ridurre gli effetti della diafonia

• Il disturbo di diafonia ha durata massima 2 tP

• I receiver possono filtrare segnali più brevi di 2 tP– ricevitori a integrazione

VO

08/06/2006 - 35 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Ricevitori a integrazione

• Integratore seguito da comparatore– Integratore resettato a ogni transizione– Il comparatore scatta solo dopo alment Tx H o L fissi– Ritardo intrinseco

08/06/2006 - 36 ETLC2 - D2 - 2006 DDC


• Distribuzione di massa e alimentazione

ETLC2 - D2 08/06/2006

2006 DDC 7

08/06/2006 - 37 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Conduttori di alimentazioni e massa

• Nei conduttori di alimentazione e massa sonopresenti disturbi dovuti a correnti che circolano in percorsi (maglie) comuni tra diverse parti dei circuiti:

– cadute di tensione per corrente costante: ∆V = RI;

– variazioni di tensione dovute alle variazioni di correntecausate dalle commutazioni logiche: ∆V = L dI/dt.

08/06/2006 - 38 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Corrente alla commutazione - 1

• Picco di assorbimento durante la commutazione» conduzione simultanea dei MOS p e n» flusso impulsivo di corrente tra Val e massa» indipendente dalla capacità in uscita

– totem pole current spike

VIN

ID

VAL

VINID

08/06/2006 - 39 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Effetto del totem pole current spike

VG, VS

LS

LG

VAL

VS

VG

VALEID

VAL

VINID

dati numerici

VIN

ID

08/06/2006 - 40 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Dati numerici

• Picco di corrente (mA)» ALS 10 AS 30» HC/HCT 20 AC/ACT 50» BCT/ALVC 30 ABT/LVT 25

• Durata pari al tempo di transizione

• Induttanza dei pin» DIP 14 10 nH» PLCC 10 nH» Wire bond 1 nH» Flip chip 0,1nH

08/06/2006 - 41 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Corrente alla commutazione - 2

• Corrente dovuta alla carica e scarica delle capacitàin uscita durante le commutazioni

– per transizione 0-1: carica da Val– per transizione 1-0: scarica su massa– legato al carico capcitivo

VDD

VIN

VOUT

VDD

VIN

COICHCO

08/06/2006 - 42 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Corrente nella capacità di uscita

VDD

VIN

VOUT

VDD

VIN

COICHCO

VDD

VIN

VOUT

VDD

VIN

COICLCO

ETLC2 - D2 08/06/2006

2006 DDC 8

08/06/2006 - 43 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Effetto delle correnti verso massa

• La corrente di scarica del condensatore circola nel conduttore di massa, determinando una caduta di tensione VG:

ground bounce

• Il disturbo dipende da– capacità del carico CL

– dV/dt della VB

– induttanza LG

08/06/2006 - 44 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Effetti sulle uscite

∆V = L dI/dt; I = C dV/dt; ∆V = L C d2V/dt2

08/06/2006 - 45 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Sommario degli effetti

• Commutazione 1-0– picco di corrente in GND– ground bounce– disturbi sulle uscite a 0

VCC

08/06/2006 - 46 ETLC2 - D2 - 2006 DDC


• Commutazione 1-0– picco di corrente in GND– ground bounce– disturbi sulle uscite a 0

• Commutazione 0-1– picco di corrente in Vcc– rimbalzo

sull’alimentazione– disturbi sulle uscite a 1

VCC

08/06/2006 - 47 ETLC2 - D2 - 2006 DDC


• Il rumore di commutazione è proporzionale al numero di uscite che cambiano stato

• Rumore di commutazione simultanea

∆V = L dI/dt; I = C dV/dt; ∆V = L C d2V/dt2

• Legato a – velocità dei fronti– capacità di carico– induttanza dei collegamenti Val e GND

08/06/2006 - 48 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Ground bounce e switching noise

• Il ground bounce e il rumore di commutazionespostano massa e alimentazione

• Hanno effetti su altre porte dello stesso package (con masse e alimentazione in comune)

– spostano la tensione effettiva di ingresso

– spostano i livelli di uscita

– possono determinare auto-oscillazioni

ETLC2 - D2 08/06/2006

2006 DDC 9

08/06/2006 - 49 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Autooscillazioni su linee hi-Z

• Vi attraversa la soglia si ha commutazione» la caduta nel collegamento di massa sposta la soglia» lo spostamento della soglia può innescare oscillazioni

VG

V”I

VTH

VO

IL

T1

V’I

VDD

ZP

GND

ZP

IL

VG

V”IV’I

VO

08/06/2006 - 50 ETLC2 - D2 - 2006 DDC


• Condensatori di bypass

08/06/2006 - 51 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Ridurre i disturbi su GND e Val

• Le correnti Val-GND sono fornite dall’alimentatore

• I collegamenti di massa e alimentazione sono lunghie hanno elevata induttanza

• Per limitare i disturbi– ridurre impedenza e resistenza dei

conduttori di massa e alimentazione» piani continui di massa e di alimentazione

– evitare che correnti impulsive percorrano conduttori ad altainduttanza

» condensatori di bypass dell’alimentazione

08/06/2006 - 52 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Distribuzione delle alimentazioni

• Piste larghe, pianidi massa e di alimentazione

– bassa R e L

• Evitare tagli (file di pin allineati, ...)

– evitare la formazionedi spire con le correnti di ritorno

08/06/2006 - 53 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

ALIMENTATORE

VAL

V2 2

1

Condensatori di bypass

• Modello di distribuzione dellamassa e dell’alimentazione con indicazione delle induttanze deicollegamenti verso l’alimentatore

GND

08/06/2006 - 54 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

ALIMENTATORE

VAL

V2 2

1


• Le correnti provengonodall’alimentatore, e determinanocadute di tensione sulle induttanze; 1 e 2 si disturbano a vicenda:

• V1(I2), V2(I1)

GND

Percorso comune

V1

I2

I1

ETLC2 - D2 08/06/2006

2006 DDC 10

08/06/2006 - 55 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

ALIMENTATORE

VAL

V2 2

1


• Inserendo un condensatoredi disaccoppiamento le correnti impulsive percorronosolo i tratti tracondensatore e componente.

GND

08/06/2006 - 56 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

ALIMENTATORE

VAL

V2 2

1


• Il condensatore vienericaricato- in tempi lunghi -dall’alimentatore

GND

08/06/2006 - 57 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Condensatori di disaccoppiamento

• Obiettivo: evitare che correnti impulsive percorranoconduttori ad alta induttanza

–

– fornire i picchi di corrente per la commutazione con “accumulatori” vicini al componente

– condensatori di disaccoppiamento (bypass)

» le correnti impulsive percorrono conduttori corti, a bassainduttanza

– gli “accumulatori” vengono ricaricati su tempi più lunghi(senza picchi di corrente) dall’alimentatore

08/06/2006 - 58 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

|Z|

frequency(log)

0.1 1 10 100

1

10

0.1

Condensatori reali

• Impedenza di un condensatore: 1/sC

08/06/2006 - 59 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Condensatori reali

• Impedenza di un condensatore: 1/sC

• Componenti reali:

– induttanza dei terminali

– resistenza di perdita» ESR: Equivalent Series Resistance

– circuito equivalente:» serie LRC» minima impedenza (ESR) alla risonanza

08/06/2006 - 60 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

|Z|

frequency(log)

0.1 1 10 100

resonantfrequency

1

10

0.1

Condensatori o induttanze ?

• Impedenza di un condensatore reale

• zonacapacitiva

• zonainduttiva

• risonanza

ETLC2 - D2 08/06/2006

2006 DDC 11

08/06/2006 - 61 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

• Condensatori di tipo diverso in parallelo

dati numerici

|Z|

frequency(log)

0.1 1 10 100

C1

1

10

0.1

C2 C3

Z

C1 C2 C3

Come ottenere bassa impedenza

08/06/2006 - 62 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Dati numerici

• C in serie a ESL e ESR (Equivalent Series Resistance)(modellano induttanza e resistenza dei terminali, e perdite del dielettrico).

– L dipende da dimensioni del componente e lunghezza dei terminali; SMD hanno induttanza molto piu' bassa.

tipo ESR (ohm) ESL (nH)

ceramica multistrato 0.1 101 4

DIP 0.1 7SMD 0.1 1

08/06/2006 - 63 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Valore dei condensatori di bypass

• Limitare ondulazione sul alimentazione e GND

• Q = carica immagazzinata nel condensatore• V = Tensione ai capi del condensatore

– ∆V= variazione di tensione ammessa– ∆t = durata dell’intervento del condensatore

– Q = C x V; i = Q/ ∆t =C x ∆V/∆t (+ totem pole current spike)– C = i x (∆t/ ∆V)– Considerando ESR : C = i x ∆t/(∆V- ESR x i)

• Se ESR troppo alta:– Più condensatori in parallelo

08/06/2006 - 64 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Calcolo capacità di bypass

• http://www.ultracad.com/esr_calc.htm

08/06/2006 - 65 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Diversi tipi di condensatore

• Confronto tra combinazioni diverse di condensatori

• Meglio molti piccolirispetto apochi grandi

• Meglio SMDrispetto aPTH (minore ESL)

08/06/2006 - 66 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Tipi di condensatori

• Elettrolitici in alluminio:– La ESR aumenta al diminuire della temperatura (x 10 !); è

misurabile con un generatore normale (50 ohm, 100 kHz)

• Condensatori ceramici in Z5U: – invecchiano e patiscono il freddo;

» dopo 100.000 ore vanno a 1/3 del valore originario. – Preferibili quelli in X7R, che a 100.000 ore va a 2/3. – L'invecchiamento non è lineare (piu' rapido all'inizio); – consigliabile un derating del 50% della tensione di lavoro

• Vedere sito MURATA

ETLC2 - D2 08/06/2006

2006 DDC 12

08/06/2006 - 67 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Impedenza dei condensatori

• http://www.murata.com/designlib/mcsil.html

08/06/2006 - 68 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Punti critici per progetto del layout

– Stack_ up PCB (sequenza dei layer)» Impedenza controllata, diafonia

– Posizione dei componenti» Limitare rumore di commutazione

– Routing delle piste» Impedenza, diafonia

– Routing dei clock/ strobes» Minimo skew

– Routing dei bus» diafonia

– Routing dei piani di potenza» Rumore di commutazione

– (Routing per minimizzare EMI)

08/06/2006 - 69 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Stackup 4 strati

08/06/2006 - 70 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Stackup 6 strati

08/06/2006 - 71 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Stackup 8 strati

08/06/2006 - 72 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Stackup 10 strati

ETLC2 - D2 08/06/2006

2006 DDC 13

08/06/2006 - 73 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Alimentazione, segnali, clock

• La distribuzione ha esigenze diverse:

– massa e alimentazioni: bassa impedenza» piani, griglie

– segnali punto-punto: basso Ttx, basso consumo» terminazioni serie, linee aperte

– segnali multipunto: basso Tp, poche riflessioni» IWS, terminazioni parallelo, basse capacità

– segnali clock: minimo skew» driver a basso skew, ricevitori a soglia controllata

08/06/2006 - 74 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Stack-up PCB

• Ogni layer segnale si deve riferire ad un piano distribuito.

• Tutti i layer segnali devono avere una impedenzaparagonabile.

• Layer di massa prossimi al lato del PCB dove sonoallocati i componenti.

• Connettere i layer di massa allo chassis del sistemain piu' punti.

08/06/2006 - 75 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Collocazione componenti

• Aree a frequenza di lavoro maggiore al centro dellascheda:

• Distanziare logiche veloci da interfacce esterne al sistema (connettori)

• Condensatori di decoupling a distanza max 1" dai pin di alimentazione del componente (più vicini ai pin di alimentazione)

08/06/2006 - 76 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Piste

• Tutte le piste– minima lunghezza.– topologia daisy chain, no stub.– piste su layer adiacenti ortogonali tra loro.– segnali "high speed" solo sui layer adiacenti a piani di

massa.

• Piste critiche– Clock e strobe

» Meandri per equalizzare skew– Segnali analogci

08/06/2006 - 77 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Clock/ strobe

• Sempre sul layer prossimo ai piani di massa.

• Se cambiano layer: riferire ad altro piano di massa.– Unire i due piani di massa con un foro di via molto vicino

(100 mils Max) al via utilizzato dal clock per cambiare layer.

• Garantire almeno 3D/H di separazione tra clock/ strobe e altri segnali routati sullo stesso layer.

– D= distanza delle piste (centro – centro)– H= distanza delle piste rispetto al piano di riferimento.

• Piste sui layer adiacenti al clock/ strobe ortogonali.

• La pista non deve attraversare tagli sui piani.

08/06/2006 - 78 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Distribuire le masse

• Garantire a ogni segnale un ritorno di massa nelle vicinanze

ETLC2 - D2 08/06/2006

2006 DDC 14

08/06/2006 - 79 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Scelta del package

• Minimizzare area delle spire e lunghezza dei collegamenti

• Piani di riferimento vicini• Flip chip preferibile a wire bond

08/06/2006 - 80 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Condensatori e resistenze

Condensatori tipo ESR (ohm) ESL (nH)

ceram. multistrato 0.1-1 4-10DIP 0.1 7SMD 0.1 1

Resistenze, con terminali a lunghezza minima1/4 W assiale 2.5 nH1/8 W assiale 1 nH1/8 W SMD 0.9 nH

08/06/2006 - 81 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Capacita’ sui pin di DIL

• Capacita’ di ingresso (Cin) 2-10 pF

• Capacita’ di uscita (Cout) 80 pF

• effetto di conduttori lunghi:– collegamenti GND delle sonde di oscilloscopio:

7.5 cm corrispondono a circa 200 nH, aggiungono 4.8 ns alle transizioni

08/06/2006 - 82 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Piani di potenza

• Tagli nei piani chiusi da C di bypass (100 pF low ESL) con via a minima distanza dallapista che attraversa il taglio.

– Prevedere minimo 1 condensatore ogni 5 piste.

• Per diminuire EMI– Contenere il routing dei segnali riferiti ad un piano a 3D

(distanza layer segnali- piano) rispetto al bordo scheda.– Guard ring intorno alla scheda sui layer segnali collegata a

0V logico con fori di via ogni 1.5 cm Max (= 1 GHz)

08/06/2006 - 83 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Tabelle riassuntive

• Problema (effetto)– causa

» soluzione

• Sovratensioni (danni permanenti)

• Livelli DC non corretti (errori)

• Ritardo (rallentamento)

• Skew (rallentamento)

• Crosstalk (errori)

08/06/2006 - 84 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Criteri di progetto - 1

• Sovratensioni/ Overshoot– disadattamento con Γ < 0

» terminazione P o S

– circuiti LC poco smorzati nelle interconnessioni» aumentare lo smorzamento (R serie o parallelo)

• Livelli DC non corretti– carico DC eccessivo

» terminazioni AC» driver a corrente piu' alta» ridurre il carico DC

ETLC2 - D2 08/06/2006

2006 DDC 15

08/06/2006 - 85 ETLC2 - D2 - 2006 DDC


• Eccessivo ritardo– non commuta su onda incidente

» driver a corrente piu' alta, Ro più bassa» alzare Zo (ridurre i carichi)

• Eccessivo skew– dispersione dei parametri (Z linea, tp, carichi)

» famiglia transceiver a soglie controllate– eccessivo rumore

» bypass su alimentazione» ridurre crosstalk

• Usare collegamenti punto-punto

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• Crosstalk– transizioni V e I ripide (tr/f veloce)

» driver a tr/f controllato» famiglia transceiver a basso swing» segnali differenziali

– percorsi comuni a impedenza alta» piani per GND e alimentazione

– separare i ritorni di segnale» attenzione ai connettori !

• Usare sempre la famiglia logica più lenta(compatibile con le specifiche di velocità)

– ottimizza anche il consumo e riduce i disturbi

08/06/2006 - 87 ETLC2 - D2 - 2006 DDC

Verifica

• Quali sono gli effetti degli accoppiamenti induttivi e capacitivi tra le piste di un circuito stampato?

• Con quale meccanismo i percorsi comuni creano diafonia?

• Per ridurre la diafonia, conviene usare una famiglia logica lenta o veloce?

• Cosa sono il rumore di commutazione simultanea e il groundbounce?

• Quali criteri di layout possono ridurre la diafonia?

• A cosa servono i condensatori di bypass sull’alimentazione?

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