آشنایی و مقابله با کراس تالک
اخیرا در یک مراسم عروسی بودم و روی میزی نشسته بودم، آقایی هم روبروی من قرار داشت، من سعی داشتم که با ایشان صحبت کنم اما متاسفانه دو خانم هم در همان میز روبه‌روی هم نشسته بودند و با هم حرف می‌زدند که صدای آن‌ها باعث میشد گفت و گوی بین من و طرف مقابل سخت و نامفهوم گردد و به دلیل وجود صحبت و صدای همزمان دو نفر دیگر در راستای حرف‌های ما صحبت بین من و طرف مقابل امکان‌پذیر نبود.
آنچه که در اینجا رخ داد به کراس تالک یا برهم‌گفتاری یا هم‌شنوایی معروف است که در الکترونیک هم این پدیده به این شکل روی می‌دهد که زمانی که چند سیگنال آنالوگ به موازات هم کشیده شده‌اند نوسان یک یا چند سیگنال بر سیگنال دیگر که در نزدیکی و موازات آن سیگنال است اثر میگذارد و باعث خراب شدن سیگنال اصلی میشود. این پدیده در گفتگوها می‌تواند آزاردهنده باشد اما اگر این پدیده در طراحی پی سی بی شما رخ دهد می‌تواند باعث فاجعه گردد.
و صد البته ما برای برهم گفتاری در الکترونیک می‌توانیم تمهیداتی را در نظر بگیریم و مشکل را حل کنیم ولی برای برهم گفتاری انسان‌ها در یک جمع خانوادگی بعید می‌دونم بشه راهکاری داشت 🙂
همانطور که گفته شد کراس تالک یک کوپل ناخواسته مغناطیسی بین مسیرهای نزدیک به هم روی برد است. برای درک راحت‌تر موضوع به شکل‌های زیر توجه کنید.
این کوپل مغناطیسی می‌تواند باعث شود که پالس‌های سریع سیگنال یک مسیر بر یکپارچگی دیگر سیگنالهای نزدیک اثر بگذارد حتی بدون اینکه این مسیرها با هم ارتباطی داشته باشند. این اتفاق زمانی رخ می‌دهد که فاصله بین مسیرهای موازی بسیار کم است و طبعا هر چه فاصله کمتر باشد کوپل قوی‌تر خواهد بود.حتی اگر شما حداقل فاصله را طبق اهداف تولیدی خود رعایت کرده باشید (به عنوان مثال حداقل فاصله که کمپانی چاپ می‌تواند چاپ کند) ممکن است باز این فاصله که شما در نظر گرفته‌اید کوپل مغناطیسی را خنثی نکند.
دو مسیر را که به موازات هم کشیده شده‌اند در نظر بگیرید اگر دامنه سیگنال تفاضلی یکی از مسیرها از دیگری بزرگ‌تر باشد ممکن است به صورت مخربی به مسیر ضعیف‌تر نفوذ کند و این مسیر قربانی به جای این که طبق مشخصه‌ی اصلی خود رفتار کند تحت تاثیر مشخصه‌ی سیگنال کوپل شده رفتار خواهد کرد. اگر زمانی این اتفاقات در برد شما رخ داد شما کراس تالک دارید.
تصور میشود که کراس تالک همیشه در مسیرهای موازی کنار هم رخ می‌دهد اما همیشه اینطور نیست. حتی امکان دارد در مسیرهای موازی که هر کدام می‌توانند در لایه‌های مجاور هم باشند رخ دهد، که این پدیده به کوپل بوردساید (بین لایه های برد) مشهور است. و دلیل این اتفاق می‌تواند ضخامت بسیار ناچیز هسته جداکننده لایه‌های برد از هم باشد. میزان این ضخامت می‌تواند 4میل (یک دهم میلیمتر) باشد که بعضی مواقع از فاصله بین دو مسیر موازی در یک لایه همسان کمتر است.
راه های حذف کراس تالک در طراحی
خوشبختانه شما در دام این پدیده گرفتار نیستید به شرطی که بردتون رو به نحوی طراحی کنید که طراحی برد شما کمترین پتانسیل گرفتار شدن توسط کراس تالک را داشته باشد. در زیر تکنیک‌هایی برای از بین بردن و یا به حداقل رساندن اثر کراس تالک در برد شما شرح داده شده است.
- تا حد امکان هنگام مسیریابی سیگنالهای دیگر را از جفتهای تفاضلی دور نگه دارید،بر طبق یک حساب سرانگشتی این فاصله می‌تواند سه برابر پهنای ترک مورد نظر باشد.
- تا حد امکان فاصله بین ترک‌های مربوط به کلاک با دیگر سیگنال‌ها زیاد باشد این فاصله می‌تواند به طور تقریبی سه برابر پهنای ترک باشد اما اگر بیشتر هم باشد بهتر است.
- اگر در بردتان مجموعه‌ای از زوج‌های تفاضلی دارید فاصله هر کدام از جفت‌ها را زیاد در نظر بگیرید تقریبا این فاصله می‌تواند پنج برابر پهنای ترک‌های مورد نظر باشد.
- سیگنالهای آسنکرون مانند ریست و اینتراپت و … را از باس‌ها و سیگنالهای فرکانس بالا دور نگه دارید یا میتوانید با دیگر سیگنالهای روشن خاموش که کمتر در عملکرد عادی برد مورد استفاده قرار می‌گیرند مسیر کشی کنید.
- حتما مطمئن شوید که اگر دو یا چند لایه سیگنال در استکاپ شما در مجاورت هم قرار می‌گیرند آن‌ها را به صورت عمود برهم مسیرکشی کنید به زبان ساده‌تر این سیگنال‌هایی که احتمالا در چند لایه قرار گرفته‌اند و احتمال اثرگذاری بروی هم را دارند به موازات هم مسیر کشی نکنید.
- بهترین راه‌حل برای کاهش مشکل بالا یا بورساید کوپل این است که شما بین این لایه‌های مجاور را با یک لایه پلن زمین پر کنید که این پلن نه تنها فاصله لایه‌ها را از هم زیادتر می‌کند و اثر بردساید کوپل از بین می‌برد، بلکه با این زمین شما مسیر برگشتی موردنیاز دیگر سیگنال ها را تهیه کرده‌اید یا آن را قوی‌تر کرده‌اید.
درود
کراس تاک میتونه روی دو تا track که از روی هم رد میشن با زاویه 90 درجه اتفاق بیفته؟ مثلا فرض کنید یک trace روی لایه top و یک trace روی لایه bottom از روی هم رد بشن و هردو حامل فرکانس در حد 90 مگ .آیا رو هم اثر دارن توی یک برد دورو متالیزه معمولی یا نه
درود. ببینید چون شما این دو مسیر رو به موازات هم نکشیدید احتمالش خیلی کمه که اثر بگذارند ولی من نمیدونم پهنای هسته جدا کننده شما چقدره ولی باز احتمالش رو نمیدم و تا حد ممکن سعی کنید این مسیر ها موازی نکنید چون مشکل سازه. ظاهرا شما کار درست رو انجام دادید اگه من درست متوجه شده باشم.
درود… کار درست اینه که بجای برد دورو از برد 4 لایه استفاده بشه که بین top و bottom یک لایه gnd و vcc باشه و دیگه تو این حالت کراس تاکی بینشون صورت نمیگیره .
تو برد مد نظر ما ضخامت برد 1.6 میلی متر هست و دو تا trace سیگنال از روی هم با زاویه 90 درجه رد شدن .
بعد اگه فاصله trace ها کم باشه (مثلا فاصله میکرو تا یه SDRAM) احتمال اثرگذاری کراس تاک کمتره دیگه نه ؟
خب اگه چهار لایه بزنید که میشه یک تیر و چند نشان ولی چهار لایه هم داستان های خودشو داره و علاوه براین هزینه هات زیاد میشه و با توجه به شرایط حال حاضر شما با همین برد هم مشکلی نخواهید داشت.
و طول مسیر صد در صد برروی یکپارچگی سیگنال اثر گذار خواهد بود.مثلا حتی اگه شما طول مسیرتون هم کوتاه باشه ولی طرفین(تولید کننده و گیرنده سیگنال) از لحاظ امپدانس مچ نباشند سیگنالتون رو خط رفلکس یا منعکس میشه که همین باعث خرابی دیتا یا سیگنال میشه.مباحث واقعا زیاده.
فرض کنیم که تطبیق امپدانس دارید،اگه این کوتاه کردن مسیر باعث بشه که مسیر کم تر به سیگنالهای خطرناک دیگر،نزدیک باشه بله میتونه تاثیر خوبی از نظر کراس تالک داشته باشه و گرنه زیاد موثر نیست.
با سلام
یه موضوع مهمی دیگه در رابطه با کراس تاک هستش اینه که به فرکانس ربطی ندارد حتی توی فرکانس های 10 کیلو هرتز هم میتونه رخ بده . فاکتور مهم برای محاسبه کارس تاک پهنای باند منبع سیگنال هستش که این پهنای باند رو با توجه به رایز تایم یا فال تایم محاسبه میشود .
توی تلگرام برای شما توضیحات تکمیل تر رو میفرستم
سلام و درود. ممنون از توضیحاتتون. اگر براتون ممکنه همینجا هم مختصرا توضیحاتی را بیان بفرمائید تا سایر دوستان نیز استفاده کنند.
هر سیگنال دیجیتال ( یا انالوگ ) یک پهنای باندی داره جدای فرکانس کاری .
تو کتاب دکتر جانسون High-speed digital design ، گفته شده 99 درصد انرژی هر سیگنال در پهنای باند اون سیگنال جمع شده که برای سیگنال های دیجیتال این پهنای باند با فرمول BW = 0.5 / Tr محاصبه میشه و این درصورتیه که رایز تایم یا فال تایم از 0 تا 100 درصد ولتاژ یک منطقی حساب شده باشه ولی در دیتاشیت ها رایز تایم رو 10-90 درصد هم اعلام میکنند که فرمل به BW = 0.35 / Tr تغییر میکنه و حتی بعضی دیتاشیت ها رایز تایم رو 20-80 درصد هم اعلام میکنند که در این صورت فرمول به BW = 0.22 / Tr تغییر میکنه .
با این حساب یک سیگنال مثلا 10 کیلو هرتز ولی با لبه های تیز ( رایز تایم کم ) معادل یک سیگنال فرکانس بالا میدان الکترومغناطیسی خواهد داشت و برای این سیگنال ها هم باید مثل سیگنال های فرکانس بالا تمهیدات خاص رعایت بشود .
یک فاکتور پیشرفته تر هم هست به نام slew rate که از rise time معتبر تر هست برای محاسبه کراس تاک توی rise time ، شما مقدار voltage swing را محاسبه نمی کنین و لی در slew rate شما این رو لحاظ می کنین که دقت محاسباتی رو بالا میبره .
برای محاسبه کراس تاک میتونین نرم افزار Saturn PCB Toolkit ( رایگان ) رو استفاده کنین که در تب کراس تاک با وارد کردن عرض ترک ، فاصله از لایه رفرنس ، فاصله از ترک victim ، رایز تایم و voltage amplitude میتونی میزان ولتاژ کوپل شده رو محاصبه کنین .
ممنون از توجه شما درسته. ولی به هر حال شما یک سیگنال فرکانس بالا دارید این موارد شما بر میگردد به شرایط برد و مدارتون و ما فرض کرده ایم که طرحتون رو کاملا شناسایی کرده اید و میدانید کجا چه فرکانسی دارید
با تشکر
فرمیاشات شما کاملا درسته ، شما باید طرحتون رو کاملا شناسایی کنید . من گفتم که در کنار سیگنال های فرکانس بالا ، سیگنال های غیر منتظره و کم سرعت ممکنه باعث عدم کار کرد سیستم شما بشه ، مثلا در کار خودم یک بافر استفاده کرده بودیم برای تغییر سطح ولتاژ منطقی و از کنار سیگنال ریست میکرو رد میشد و میکرو گاهی ناگهان ریست میشد ، بعد دو هفته فهمیدیم مشکل از سرعت زیاد بافر بود که باعث میشد این خط به خط ریست میکرو نویز بندازه و این نویز بقدری بود که میکرو رو ریست میکرد و سرعت انتقال دیتا هم کمتر از 100 کیلوبیت بود ولی رایز تایمش خیلی سریع بود .
بله درسته احتمالش هست این موارد را در مقالات بعدی بررسی خواهیم کرد یا اصلا اگه خودتون صلاح دونیستید خوشحال میشیم از تجربیات شما هم استفاده کنیم.
بله درسته احتمالش هست این موارد را در مقالات بعدی بررسی خواهیم کرد یا اصلا اگه خودتون صلاح دونیستید خوشحال میشیم از تجربیات شما هم استفاده کنیم.
البته با توجه به متنتون اگه شما تکنیک شماره چهار که مربوط به سیگنال ها ریست و… هست رو اجرا میکردید این مشکل پیش نمیومد.
ممنون بابت پیگیریتون.
عکس‌های ارسال شده توسط مهندس امامی در رابطه با RiseTime یا زمان خیز را میتوانید به واسطه‌ی لینک‌های زیر دنبال کنید:
https://sisoog.com/wp-content/uploads/2019/09/Rise-Time-1.jpg
https://sisoog.com/wp-content/uploads/2019/09/Rise-Time1-1.jpg
سلام ممنون عالی بود
سلام سجاد نازنین. خوشحالیم از اینکه این مقاله برای شما مفید بوده است.
سلام
ناقابل بود.