Bus dữ liệu chạy đúng trên bo mẫu nhưng lỗi ngẫu nhiên khi tăng tốc độ hoặc thu hẹp khoảng cách đường mạch: nguyên nhân rất hay gặp là nhiễu xuyên âm crosstalk PCB. Đường gây nhiễu (aggressor) chuyển mạch và một phần năng lượng của nó xuất hiện trên đường bị nhiễu (victim) bên cạnh, dù hai đường không chạm nhau.
Cái khó là nhiễu xuyên âm crosstalk PCB không có một con số cố định: cùng một cặp đường, nhiễu có thể nhỏ ở đầu này và lớn ở đầu kia, tăng theo chiều dài ở lớp này nhưng gần như bằng không ở lớp khác. Bài này đi qua cơ chế, cách lập ngân sách nhiễu, quy tắc khoảng cách thật sự mua được bao nhiêu phần trăm, rồi tới mô phỏng và đo kiểm.
Nhiễu xuyên âm crosstalk PCB sinh ra từ đâu
Hai đường truyền song song liên kết với nhau qua điện dung tương hỗ và điện cảm tương hỗ. Tài liệu D90x0ASIA của Keysight mô tả: dòng do liên kết điện dung chạy về cả hai phía, còn dòng do liên kết điện cảm chỉ chạy ngược về phía nguồn. Cộng lại, chúng tăng cường nhau theo chiều ngược và triệt tiêu nhau, ít nhất một phần, theo chiều thuận.
Sóng chạy ngược về đầu phát là nhiễu đầu gần NEXT; sóng chạy thuận tới đầu thu là nhiễu đầu xa FEXT. Biên độ và hình dạng của hai dạng sóng khác nhau hẳn, nên không thể dùng một quy tắc chung cho cả hai. Nguồn cấp cũng có thể là aggressor, gây nhiễu và jitter trên đường dữ liệu, nhưng bài này tập trung vào liên kết giữa các đường tín hiệu.
NEXT và FEXT: hai kiểu nhiễu, hai quy luật khác nhau
NEXT bão hoà theo thời gian lên
NEXT kéo dài khoảng 2·TD, với TD là thời gian trễ của đoạn song song. Biên độ tăng theo chiều dài song song, nhưng chỉ tới độ dài bão hoà. Theo Bert Simonovich, Lsat = RT·c / (2·√Dkeff), với RT là thời gian lên tính bằng ns và c = 11,8 inch/ns. Với RT = 0,1 ns trên stripline FR4 có Dkeff = 4, Lsat xấp xỉ 295 mil, khoảng 7,5 mm; với cạnh 50 ps còn khoảng 148 mil.
Ngắn hơn Lsat, nhiễu tỉ lệ với Lcoupled/Lsat: đoạn 100 mil so với Lsat 295 mil cho 33,9% mức bão hoà. Với cạnh xung vài chục ps, đoạn song song dài hơn vài milimét đã bão hoà, nên rút ngắn nó hầu như không giảm NEXT. Eric Bogatin nhấn mạnh NEXT có ở cả stripline lẫn microstrip, và cách quan trọng nhất để khống chế nó là tăng khoảng cách.
FEXT tăng theo chiều dài và tốc độ cạnh xung
FEXT xuất hiện thành một xung tới đầu thu sau thời gian TD, đỉnh tăng theo chiều dài song song và tỉ lệ nghịch với thời gian lên. Quy tắc của Bogatin cho microstrip 50 Ω đơn cực trên FR4, khoảng cách bằng bề rộng đường: FEXT ≈ 0,5% × Len[inch] / RT[ns]. Đoạn 10 inch với RT = 1 ns cho 5%; aggressor ở cả hai bên thành 10%; RT còn 0,5 ns thì lên 20%. Cùng công thức, chỉ 2 inch với cạnh 50 ps cũng tới 20%.
Microstrip và stripline
Trong stripline, điện môi bao quanh đồng nhất nên thành phần điện dung và điện cảm ở chiều thuận triệt tiêu nhau; Bogatin viết thẳng rằng stripline không có FEXT. Microstrip có một phía là không khí nên FEXT vẫn tồn tại. Vì vậy với đường song song dài và cạnh nhanh, đưa vào lớp trong là cách giảm FEXT hiệu quả nhất, còn NEXT vẫn phải xử lý bằng khoảng cách.
Lập ngân sách nhiễu cho một đường victim
Ngân sách nhiễu dựa trên một nguyên tắc: tổng mọi nhiễu tại bộ thu phải nhỏ hơn biên nhiễu. Theo Bogatin, biên nhiễu khoảng 15% biên độ tín hiệu với CMOS 2,5 V và 18% với CMOS 1,8 V. Chia đều cho ba nguồn chính là phản xạ, xuyên âm và nhiễu nguồn-đất, tổng xuyên âm từ mọi nguồn nên dưới khoảng 5% với hệ đơn cực.
Chia theo số aggressor
5% là tổng, không phải cho từng aggressor. Victim nằm giữa bus có hàng xóm hai bên, nên mỗi bên chỉ được khoảng 2,5%; thêm aggressor ở lớp liền kề thì phần mỗi đường còn nhỏ hơn. Trình tự: lấy biên nhiễu của chuẩn logic, trừ phần cho phản xạ và nhiễu nguồn, đếm số aggressor chuyển mạch cùng lúc, rồi chia phần còn lại. Con số mỗi aggressor là mục tiêu cho khoảng cách và lớp đi dây.
Liên kết nối tiếp dùng thang dB
Với liên kết nối tiếp suy hao lớn, Bogatin khuyến nghị thiết kế cho xuyên âm dưới −50 dB, khoảng 0,3%, vì tín hiệu có thể đã suy giảm tới −25 dB tại tần số Nyquist mà vẫn cần tỉ số tín hiệu trên nhiễu khoảng 23 dB ở đầu thu. Quy đổi nhanh: −30 dB ≈ 3,2%, −36 dB ≈ 1,6%, −45 dB ≈ 0,56%.
Quy tắc khoảng cách đường mạch: 3W thật sự mua được gì
Quy tắc khoảng cách đường mạch quen thuộc nhất là 3W, thường hiểu là khoảng cách tâm-tâm tối thiểu ba lần bề rộng đường W, tức khe mép-mép 2W. Con số này trùng với quy tắc số 20 của Bogatin cho bus 50 Ω đơn cực: khoảng cách mép-mép lớn hơn hai lần bề rộng để NEXT trường hợp xấu nhất dưới 5%. Tính bằng bộ giải trường 2D trong Keysight ADS, NEXT ở khoảng cách 2W vào khoảng 2,5% cho cả microstrip lẫn stripline.
3W khớp ngân sách 5%, nhưng chỉ cho NEXT
2,5% nhân hai hàng xóm bằng 5%, vừa đúng phần xuyên âm của hệ đơn cực, nghĩa là 3W là mức tối thiểu chứ chưa có dư. Nó không khống chế FEXT: cặp microstrip đúng 3W nhưng song song vài inch với cạnh nhanh vẫn có thể vượt ngân sách. Với liên kết nối tiếp cần −50 dB, 3W cũng không đủ.
Cặp vi sai: ghép lỏng lại có lợi
Với cặp vi sai stripline 100 Ω, đường rộng 7 mil, Dk = 4, Bogatin chấp nhận xuyên âm kênh-kênh −30 dB khi không cân bằng và −45 dB khi cân bằng cho kênh suy hao cao; có hai aggressor thì thành −36 dB và −50 dB. Để đạt −30 dB, cặp ghép chặt cần khoảng cách giữa hai kênh hơn 1,5 lần bề rộng đường, cặp ghép lỏng hơn 1 lần; để đạt −50 dB lần lượt là 4 lần và 3 lần. Cặp ghép lỏng cho xuyên âm kênh-kênh thấp hơn cặp ghép chặt.
Mô phỏng toàn vẹn tín hiệu cho crosstalk trong PathWave ADS
Quy tắc kinh nghiệm cho điểm xuất phát; mô phỏng toàn vẹn tín hiệu cho con số của đúng stackup và layout. Trong PathWave ADS, việc này thường đi theo ba mức.
Từ tiết diện tới layout
Mức một là bộ giải trường 2D cho tiết diện, công cụ Bogatin dùng cho con số 2,5% ở trên: thay bề rộng, khoảng cách, chiều dày điện môi để đạt mục tiêu. Mức hai là SIPro, được Keysight mô tả là mô tả đồng thời suy hao và liên kết của các net tín hiệu và nguồn trên layout thật; mô hình EM được chuyển tự động sang schematic ADS cho mô phỏng transient và mô phỏng kênh. Về lựa chọn giữa Momentum và FEM, xem bài mô phỏng điện từ 3D cho gói linh kiện và PCB tốc độ cao.
Đưa aggressor vào mô phỏng kênh
Mức ba trả lời mắt tín hiệu còn mở bao nhiêu. Trong Channel Simulator, chèn một hoặc nhiều thành phần Xtlk; mặc định chúng thừa hưởng tốc độ bit, thời gian lên xuống và jitter của bộ phát chính, và bộ mô phỏng xử lý cả xuyên âm đồng bộ lẫn ngẫu nhiên. Mô hình kênh phải chứa đủ cổng của các aggressor, không chỉ cặp victim. Keysight W4321EP là license phần mềm thiết kế PathWave; thành phần cụ thể được cấu hình theo quy trình mô phỏng, nên liệt kê rõ nhu cầu khi yêu cầu báo giá.
Kiểm chứng bằng đo: VNA 4 cổng, TDR và máy hiện sóng
S31 và S41
Với aggressor nối cổng 1–2 và victim nối cổng 3–4, theo Bogatin và Blankman, S31 là NEXT và S41 là FEXT. Trên mẫu thử của họ, NEXT đạt đỉnh khoảng −13 dB (22%) còn FEXT tới khoảng −4 dB (63%): FEXT có thể lớn hơn NEXT nhiều. Keysight lưu ý tín hiệu xuyên âm rất nhỏ nên cần dải động cao, đạt được nhờ đặt băng thông IF hẹp; VNA 4 cổng còn cho suy hao chế độ vi sai, chế độ chung và mọi dạng chuyển đổi chế độ.
Keysight N5245B dải 900 Hz / 10 MHz tới 50 GHz, 2 hoặc 4 cổng. Phần mềm miền thời gian nâng cao có TDR biến đổi Fourier ngược dữ liệu tần số thành TDR/TDT đơn cực, vi sai và chuyển đổi chế độ để khoanh vùng suy hao, phản xạ và xuyên âm. Theo bảng thông số S93011A, cột 50 GHz cho thời gian lên bước TDR tối thiểu 8,92 ps. Trước khi đọc S31, S41 của riêng đường mạch cần loại ảnh hưởng fixture, như trong bài de-embedding khi đo kênh tốc độ cao.
TDR/TDT trên máy hiện sóng lấy mẫu
Khung máy Keysight N1000A DCA-X lắp mô-đun N1055A (35 hoặc 50 GHz, 2 hoặc 4 cổng) cho TDR/TDT đơn cực và vi sai; một tới bốn mô-đun cho tối đa 16 cổng, đủ kích một aggressor và quan sát hai đầu của nhiều victim.
Xuyên âm trên tín hiệu đang chạy
Cách cũ là tắt từng làn để cô lập aggressor, nhưng phải chạy chế độ thử đặc biệt, hệ 4 làn đã có 16 cặp victim–aggressor tính cả ISI, và vì đo không đồng thời nên mất hiệu ứng cộng hay triệt tiêu. Ứng dụng xuyên âm trong gói D9010ASIA thu đồng thời tối đa bốn tín hiệu của hệ đang chạy, không cần mô hình, lượng hoá từng aggressor và vẽ dạng sóng đã loại xuyên âm để so mắt và jitter. Đo victim ở đầu thu chủ yếu thấy FEXT, muốn xem NEXT thì đo ở đầu phát; mỗi làn phải phát mẫu khác nhau hoặc chạy tốc độ khác nhau.
Chọn thiết bị Keysight cho nhiễu xuyên âm crosstalk PCB
- Trước khi đặt mạch: Keysight W4321EP, license PathWave cấu hình cho giải trường, EM trên layout và mô phỏng kênh có aggressor.
- Đặc tính hoá đường mạch tới 50 GHz: Keysight N5245B 4 cổng cho S31, S41, tham số chế độ hỗn hợp và TDR.
- Cùng bài toán, ngân sách thấp hơn: Keysight E5080B dải 9 kHz tới 20 GHz hoặc 100 kHz tới 53 GHz, 2 hoặc 4 cổng, dải động 140 dB; phần mềm S96011B cho TDR tới 53 GHz, thời gian lên 8,42 ps.
- TDR/TDT nhiều cổng: Keysight N1000A là khung máy, cần mô-đun N1055A.
- Tìm aggressor trên hệ đang chạy: Keysight MXR608B 6 GHz, 8 kênh, 16 GSa/s trên mọi kênh đồng thời, ADC 10 bit, bộ nhớ chuẩn 200 Mpts mỗi kênh; phân tích xuyên âm là tuỳ chọn D9010ASIA.
Kết luận
Khống chế nhiễu xuyên âm crosstalk PCB bắt đầu từ việc tách hai bài toán: NEXT bão hoà sớm với cạnh nhanh và chỉ giảm khi tăng khoảng cách; FEXT tăng theo chiều dài, tỉ lệ nghịch với thời gian lên và gần như biến mất trong stripline. Lập ngân sách trước, chia cho số aggressor thực tế, dùng quy tắc khoảng cách làm điểm xuất phát, mô phỏng trên stackup thật, rồi kiểm chứng bằng S31, S41 và bằng phân tích xuyên âm trên tín hiệu thật.
Số liệu đo chỉ đáng tin khi máy phân tích mạng và máy hiện sóng còn trong dung sai. Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền Keysight tại Việt Nam, vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025. Để được tư vấn cấu hình đo xuyên âm, license PathWave hoặc đặt lịch hiệu chuẩn, liên hệ hotline 0908 173 345.
