Elettronica applicata/Integrità di segnale

La diafonia (in inglese: crosstalk) è il disturbo provocato dal passaggio di un segnale:

• tra conduttori diversi: dovuto ad accoppiamenti di tipo induttivo e capacitivo: Diafonia tra conduttori diversi;
• a causa di percorsi comuni: l'alimentazione può portare dei disturbi che vengono interpretati come segnale: Diafonia a causa di percorsi comuni;
• tra un bit e l'altro del segnale: interferenza intersimbolica (ISI) = interferenze nel tempo.

Diafonia tra conduttori diversi

Diafonia tra conduttori diversi

Tra due conduttori sono presenti, distribuiti su tutta la loro lunghezza:

• accoppiamenti induttivi: modellizzati con un'induttanza mutua $L_{M}$;
• accoppiamenti capacitivi: modellizzati con una capacità mutua $C_{M}$.

A causa di questi accoppiamenti, al passaggio di un segnale all'interno di uno dei due conduttori (linea disturbante) si generano disturbi nell'altro conduttore (linea disturbata). Il disturbo aumenta con la pendenza del fronte disturbante (${\tfrac {dV_{S}}{dt}}$, ${\tfrac {dI_{S}}{dt}}$).

Effetto degli accoppiamenti capacitivi

Modello circuitale

Disturbo totale

Fissato un punto della linea disturbante, a causa degli accoppiamenti capacitivi il passaggio di un segnale $V_{S}$ in tale punto determina un'iniezione di corrente $I_{CM}$ che nella linea disturbata, poiché ha una sua impedenza caratteristica $Z_{\infty }$, origina una variazione di tensione $V_{XC}$:

$V_{XC}={\frac {Z_{\infty }}{2}}I_{CM}={\frac {Z_{\infty }}{2}}C_{M}{\frac {dV_{S}}{dt}}$

che genera nella linea disturbata due impulsi di larghezza pari al tempo di salita di $V_{S}$ che si propagano nelle due direzioni opposte:

• diafonia diretta: l'impulso progressivo si propaga verso la terminazione con la stessa velocità del segnale stesso → si somma a tutti gli impulsi che il segnale continua a generare nel suo movimento creando un cumulo di disturbi di durata costante e di ampiezza massima alla terminazione;
• diafonia inversa: l'impulso regressivo si propaga verso il driver ma non si somma agli impulsi precedenti, bensì li affianca creando un disturbo di ampiezza costante che si estende fino al driver.

Come ridurre la diafonia

Diafonia dovuta alla pendenza del fronte del segnale disturbante

Diafonia dovuta agli accoppiamenti induttivi

La diafonia è dovuta a:

• effetto degli accoppiamenti capacitivi $C_{M}$: si può ridurre allontanando i conduttori, o diminuendo la pendenza del fronte del segnale disturbante:
  • ampiezza minore, tempo di salita costante: i circuiti logici devono lavorare a tensioni inferiori → riduzione dei consumi;
    oppure
  • ampiezza costante, tempo di salita maggiore: i circuiti logici devono lavorare con segnali a escursione più lenta → riduzione dei consumi;
• effetto degli accoppiamenti induttivi $L_{M}$: si può ridurre evitando spire ampie e concatenate, e preferendo ritorni a massa indipendenti e vicini alle piste;
• margini di rumore del ricevitore: si possono ridurre usando segnali differenziali, che sono immuni ai rumori di modo comune, e grazie alla ridotta escursione di tensione rispetto ai segnali di modo comune permettono anche una riduzione dei consumi.

Inoltre per limitare gli effetti della diafonia si può:

• filtrare al lato ricevitore gli impulsi di durata limitata come quelli di disturbo;
• usare delle tecniche di recupero degli errori (EDC).

Diafonia a causa di percorsi comuni

Rumore di commutazione senza condensatori di bypass

Condensatori di bypass

Durante la commutazione di un transistore CMOS a massa, filtra per un breve tempo una corrente di perdita (di tipo induttivo) attinta dall'alimentazione principale, che origina una tensione sul tratto di conduttore verso massa e sposta temporaneamente la tensione di riferimento.

Se il transistore CMOS in commutazione condivide il ritorno a massa con un altro transistore CMOS, lo spostamento della tensione di riferimento e l'arrivo della corrente di perdita influenzano il segnale di ingresso dell'altro transistore CMOS (rumore di commutazione).

I condensatori di bypass, posti in parallelo ai transistori CMOS, servono per evitare il rumore di commutazione: la corrente di perdita proviene dalla scarica del condensatore di bypass e non dall'alimentazione, evitando così i disturbi all'altro transistore CMOS. Il condensatore poi si ricarica lentamente dall'alimentazione principale.