Signal and Power Integrity (Syllabus) – Starts on February 26th 2023 !! Hurry up to subscribe
האם הויאה הדיפרנציאלית שלך זולגת ? (חלק 2/2) – כתבה מלאה
חקר וכתב דרור חביב
מרצה בכיר ל- Signal and Power Integrity
בחלק 1 הצגנו שיטה לסימולציה וחישוב הפסדי הקרינה ממבנה ויאות ואת ההשפעה הנרחבת והמשמעותית שיש לקרינה זו על SIPI. בחלק זה נבחן את 2 הגורמים העיקריים שמשפיעים על קרינה ממבנה ויאות: (1) צימוד בין ויאות הסיגנל (2) כמות ומיקום ויאות החזרה (Return path vias).
ע”מ לבחון את השפעת הצימוד בין ויאות הסיגנל, נשתמש במבנה ויאות ללא ויאות חזרה כלל. נבחן 5 מרחקים שונים בין ויאות הסיגנל (מרכז למרכז) : 26, 32, 40, 50, 60 mil כמתואר באיור 3. מבחינה מעשית, המרחק המינימאלי בין ויאות הסיגנל תלוי בקוטר הפדים החיצוניים ובמרחק המינימאלי האפשרי בינהם.
איור 3: ויאות דיפרנציאליות (ללא ויאות חזרה) עם מרחק בין ויאות סיגנל של: 26, 32, 40, 50, 60 מיל
הערה: לשם נוחות הצפיה מוצגים רק המשטחים החיצוניים במבנה שכבות
תוצאות החישוב של nrad (מתוך תוצאות ה- S parameters של הסימולציות במודל עם חומרים חסרי הפסדים) של חמשת מבני הויאות מאיור 3 מופיעות באיור 4:
איור 4: הפסדי הקרינה [%] של חמשת מבני הויאות
כאשר סיגנל דיפרנציאלי עובר בויאות סיגנל, הזרמים בויאות זורמים בכיוונים מנוגדים, ולכן, עפ”י חוק יד ימין ויאה אחת תקרון רדיאלית בכיוון השעון ואילו הויאה השניה תקרון רדיאלית נגד כיוון השעון. כאשר הסיגנל הוא דיפרנציאלי טהור, עוצמת הזרמים בשתי הויאות זהה וכך גם עוצמת השדות האלקטרומגנטיים שקורנת כל ויאה. במצב זה, השדות האלקטרומגנטיים שהויאות קורנות, מתאבכים התאבכות הורסת במידה מסויימת (מכיוון שויאות הסיגנל מרוחקות האחת מהשנייה מרחק מסויים אזי ההתאבכות הורסת איננה מושלמת והויאות קורנות לתוך הכרטיס). לכן, כפי שרואים באיור 4:
(1) ככל שהמרחק הפיזי בין ויאות הסיגנל גדל, ההתאבכות הורסת פחות טובה, והפסדי הקרינה גדלים
(2) כאשר התדר גדל, המרחק החשמלי בין הויאות גדל, ההתאבכות הורסת פחות טובה, ושוב הפסדי הקרינה גדלים.
כפי שאנו יודעים, סיגנלים דיפרנציאלים טהורים אינם קיימים במציאות, וכל “סיגנל דיפרנציאלי” מעשי מכיל בתוכו גם Common Signal (CS) במידה מסויימת. כאשר Common Signal עובר בויאות, הזרמים זורמים בויאות באותו הכיוון ועוצמתם זהה. במצב זה, השדות האלקטרומגנטיים שקורנות הויאות מתאבכים התאבכות בונה והפסדי הקרינה במצב זה אף יותר גדולים מאשר במקרה של סיגנל דיפרנציאלי טהור. לכן, ע”מ להגביל את התפשטות השדות בתוך הכרטיס ולהקטין את הפסדי הקרינה של הויאות הדיפרנציאליות מוסיפים ויאות חזרה.
אז כמה ויאות חזרה להוסיף ?
ע”מ לבחון את השפעת כמות ויאות החזרה על הפסדי הקרינה, נשתמש במבנה ויאות כאשר המרחק בין ויאות הסיגנל הוא קבוע ושווה ל- 40 mil . נבחן 4 מבנים עם מספר ויאות חזרה שונה: 0, 2, 6, 8 כמתואר באיור 5:
איור 5: מבנה ויאות דיפרנציאליות עם 0, 2, 6, 8 ויאות חזרה
הערה: לשם נוחות הצפיה מוצגים רק המשטחים החיצוניים במבנה שכבות
תוצאות החישוב של nrad (מתוך תוצאות ה- S parameters של הסימולציות במודל עם חומרים חסרי הפסדים) של ארבעת מבני הויאות מאיור 5 מופיעות באיור 6:
איור 6: הפסדי קרינה [%] ממבנה ויאות דיפרנציאליות עם 0, 2, 6 ו-8 ויאות חזרה
הוספת ויאות חזרה מסביב לויאות סיגנל הינה מעין הוספת “סיכוך” למבנה הויאות ותורמת להקטנת הקרינה לתוך הכרטיס. יש לשם לב כי ע”מ להקטין את הפסדי הקרינה נדרש להקפיד ולמקם את ויאות החזרה מסביב לויאות סיגנל ע”מ לייצר סיכוך אפקטיבי. כמובן שככל שנרצה לשמור על הפסדי קרינה נמוכים בתדרים גבוהים יותר (אורכי גל קצרים יותר) נצטרך להוסיף יותר ויאות חזרה ולשמור על מרחק קטן יותר בינהם (לא מעבר ל- 1/10 אורך-גל של התדר הגבוה ביותר). אם נשתמש בהגדרה שהגדרנו לתדר קטעון לקרינה fC,R של מבנה ויאות דיפרנציאליות, ניתן לראות באיור 6 שבמבנה ללא ויאות חזרה כלל, הפסדי הקרינה מתחילים לגדול בצורה משמעותית כבר החל מ- 3 GHz ולכן זהו התדר קטעון לקרינה של מבנה ויאות זה. תוספת של 2 ו- 6 ויאות חזרה מצליחה לשמור על הפסדי קרינה נמוכים ולהגדיל את תדר הקטעון לקרינה של המבנים עד ל- 30 GHz ו- 45 GHz בהתאמה. תוספת של 8 ויאות חזרה כבר מצליחה לשמור על הפסדי קרינה נמוכים עד לתדר של לפחות 50 GHz. לדוגמא, לסיגנל בעל רוחב-סרט של 20 GHz מספיקות 2 ויאות חזרה משני צידי ויאות הסיגנל. לעומת זאת, לסיגנל בעל רוחב-סרט של 35 GHz כבר נדרשות לפחות 6 ויאות חזרה מסביב לויאות סיגנל. כמובן שתכנונים שדורשים בידוד גבוה (high isolation, low cross-talk) ידרשו ליותר ויאות חזרה גם אם רוחב הסרט שלהם נמוך יחסית.
לסיכום, שימוש במבנה ויאות דיפרנציאליות מעבר לתדר קטעון לקרינה fC,R יגרום לקרינה משמעותית לתוך הכרטיס ולשלל בעיות SIPI. הפסדי הקרינה יגרמו לירידה חדה ב- SDD21 אך לאו דווקא זה יקרה בדיוק בתדר של fC,R כיוון ש SDD21 מושפע בנוסף גם מכמות ההחזרות, מה- Mode Conversion ומשאר ההפסדים. עקב כך, גם לא תמיד ניתן למצוא את fC,R ישירות מ SDD21 .כמובן שבסופו של דבר הגיאומטריה הכוללת של מבנה הויאות תקבע את אימפדנס הויאה, ההחזרות, ההעברה, את כמות ההפסדים ואת הקרינה לתוך הכרטיס אבל עדיין ניתן לראות כאן בצורה גסה את הקשר בין כמות ויאות החזרה לתדר הקטעון לקרינה של הויאה הדיפרנציאלית. כפי שאנו מכירים, התפקיד הראשון של ויאות החזרה במבנה של ויאות דיפרנציאליות הוא לייצר מסלול עם אימפדנס AC נמוך לזרם החוזר של ה- Common Signal שקיים בסיגנל דיפרנציאלי מעשי. כעת אנו רואים גם את תפקידן השני והוא להקטין את הקרינה מאותות דיפרנציאלים לתוך הכרטיס ולמזער את בעיות ה- SIPI שנוצרות עקב כך, ובעצם לאפשר להשתמש בויאות הדיפרנציאליות בתדרים גבוהים יותר.