ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN ĐIỆN TỬ TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ (EMC) ĐỀ TÀI nhiễu xuyên âm cross talk Giảng viên hướng dẫn TS Nguyễn Việt Sơn Hà Nội – 2022 MỤC LỤC LỜI.aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ****************************** TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ (EMC) ĐỀ TÀI: NHIỄU XUYÊN ÂM CROSS TALK Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Việt Sơn Hà Nội – 2022 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Khi xã hội ngày phát triển chuyển dịch mạnh mẽ theo hướng cơng nghiệp hóa – đại hóa, ngành cơng nghiệp 4.0 lên với đời phát triển Machine Learning, Internet of Things, 3D Printing, Hệ thống Nhúng,… Trong đó, việc thiết kế vi mạch điện tử phục vụ cho Hệ thống nhúng cần phải tuân theo kiến thức kỹ thuật tương thích điện từ trường (EMC) bao gồm nhiễu điện từ (EMI) nhạy cảm điện từ Sau hoàn thành học phần này, sinh viên nắm nguyên nhân gây nhiễu điện từ mạch để đưa giải pháp khắc phục, nâng cao chất lượng EMC mạch điện thiết kế thực tế Bên cạnh đó, tiêu chuẩn qui định cho EMC giới thiệu học phần Và để ứng dụng kiến thức giảng dạy lớp, nhóm chúng em tìm hiểu đề tài thầy giao có tên “ Nhiễu xuyên âm Cross Talk” Project gồm có phần : Phần 1: Tổng quan nhiễu xuyên âm Phần 2: Cơ sở lý thuyết Phần 3: Cơng thức tính tốn Cross Talk Phần 4: Phương pháp triển khai vấn đề Phần 5: Các ví dụ thực tế Trong q trình thực Project, nhóm củng cố tiếp thu kiến thức tương thích điện từ trường (EMC) Hơn chúng em học tập rèn luyện phương pháp làm việc, nghiên cứu cách chủ động hơn, linh hoạt hơn, đặc biệt kỹ làm việc theo nhóm Kết nhóm đạt hi vọng đáp ứng yêu cầu đặt thầy Chúng em chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Việt Sơn tận tình hướng dẫn nhóm học kì vừa qua DANH MỤC HÌNH ẢNH I TỔNG QUAN VỀ NHIỄU XUYÊN ÂM 1.1 Đặt vấn đề Trong hệ thống điện tử, tồn nhiễu Ảnh hưởng chúng làm cho hệ thống hoạt động không mong muốn không đảm bảo giới hạn quy định FCC (A radio-frequency device is any device that in its operation is capable of emitting radio-frequency energy by radiation, conduction, or other means) Với trường hợp dây dẫn gần PCB, có ảnh hưởng điện từ trường chúng, Crosstalk Crosstalk số loại nhiễu mà người thiết kế cần phải ý để giảm thiểu ảnh hưởng đến thành phần xung quanh mạch PCB 1.2 Crosstalk gì? Crosstalk ảnh hưởng điện từ trường thành phần đặt gần PCB Crosstalk truyền qua xạ từ trường ghép nối điện trường tín hiệu Đường dây mang tín hiệu nguồn gọi đường dây nóng (Active Net, Aggressor Net, Disturbing Net) Đường dây bị ảnh hưởng gọi đường dây nguội (Quiet Net, Victim Net, Disturbed Net) 1.3 Nguyên nhân gây Crosstalk 1.3.1 Thành phần điện cảm tụ điện kí sinh đường dây Trên đường dây tồn thành phần tụ điện điện cảm ký sinh Xét trường hợp hai Trace gần mạch PCB Gọi Trace có dịng điện chảy qua Aggressor Trace chịu ảnh hưởng nhiễu driven Net gây Victim Hình 1: Thành phần điện cảm điện dung Khi trạng thái Logic tín hiệu Aggressor chuyển từ Logic lên tồn dịng điện chảy qua Electron Aggressor di chuyển đến điểm X, đẩy electron Victim điểm Các electron Victim di chuyển xa điểm X theo chiều ngược Hiện tượng sinh tồn tụ điện ký sinh Trace Đồng thời, dòng điện chảy Aggressor tạo từ trường bao quanh Trace Vùng từ trường tạo dòng điện cảm ứng Victim Dịng điện cảm ứng có chiều ngược với chiều dịng điện Aggressor Hiện tượng sinh tồn điện cảm ký sinh Trace Nhận xét : • Dịng điện thành phần tụ điện ký sinh gây Victim chảy theo chiều khác • Dịng điện thành phần điện cảm ký sinh Victim di chuyển ngược chiều với chiều dòng điện Aggressor 1.3.2 Một số nguyên nhân khác Dòng điện (current return path): Với hệ thống tín hiệu tốc độ cao, dịng điện (current return) gây điện từ trường hay tương tác điện từ với tín hiệu mà qua Ví dụ: Khi dịng điện tín hiệu số cắt ngang qua vùng tín hiệu tương tự, gây nhiễu lên tín hiệu tương tự Sự phát xạ tín hiệu tần số cao: Với tín hiệu tần số cao, lương xạ tín hiệu bên ngồi lớn phụ thuộc vào tần số hoạt động Khi Trace mang tín hiệu tần số cao hoạt động antena, lượng xạ gây nhiễu thành phần xung quanh 1.3.3 Các loại Crosstalk: loại • Nhiễu xuyên âm điện dung: Phát sinh Trace chạy chồng lên gần sinh hiệu ứng điện dung • Nhiễu xun âm điện cảm: Nó tạo tương tác từ trường Trace chạy song song khoảng cách dài Nhiễu xuyên âm điện cảm chia làm hai loại: forward backward Near-end Crosstalk (NEXT): đo đầu phát đường truyền cáp Far-end Crosstalk (FEXT): đo đầu thu đường truyền cáp • Dựa vào cách định lượng Crosstalk: Power-sum NEXT and FEXT: Đây loại nhiễu xuyên âm khác, thuật ngữ đơn giản đề cập đến cách thức định lượng nhiễu xuyên âm Trong trường hợp này, thực góc độ cơng suất tuyệt đối tương đối 1.3.4 Vai trò việc loại bỏ Crosstalk toán EMC Việc loại bỏ nhiễu xuyên âm tốn EMC việc vơ quan trọng Trong thiết kế PCB cần loại bỏ tối đa ảnh hưởng nhiễu xuyên âm để đảm bảo tính tồn vẹn tín hiệu, đặc biệt với đường liệu tốc độ cao, có chuyển mạch nhanh II CƠ SỞ LÝ THUYẾT Một phương diện quan trọng thiết kế sản phẩm tương thích điện từ Crosstalk – Nhiễu xuyên âm phải thiết kế sản phẩm cho chúng khơng tự gây nhiễu cho Với gia tăng chóng mặt tốc độ clock hệ thống mạch số, Crosstalk đất dây tín hiệu PCBs phần quan trọng thiết kế chống nhiễu hệ thống số đại Lưu ý: Giữa đường truyền dây (Two-conductor Transmission Line), KHÔNG tồn Crosstalk Crosstalk xảy có nhiều dây 2.1 Đường truyền dây Crosstalk Khi ta thêm dây dẫn thứ vào hệ thống truyền dẫn dây, nhiễu xuất mạch (hoặc dây dẫn) thêm vào cuối đường dây thêm vào, Crosstalk Hình 2: Mơ hình đường truyền dây Nguồn gồm điện trở nguồn Rs điện áp nguồn Vs(t) kết nới với tải RL thông qua Generator Conductor Reference Conductor Trong thực tế, lớp điện môi xung quanh dây bất đồng Tuy nhiên, để toán đơn giản, ta giả sử dây đồng với Generator Circuit gồm Generator Conductor Reference Conductor Giữa chúng có điện áp Vg(z,t) tồn dịng điện Ig(z,t) dọc theo dây dẫn Dòng điện điện áp liên quan tới Generator Circuit phát trường điện từ, trường tương tác với Receptor Circuit Receptor Circuit bao gồm Receptor Conductor Reference Conductor Sự tương tác mạch trường điện từ sinh dòng I r(z,t) điện áp Vr(z,t) Receptor Circuit Điều tạo điện áp V NE(t) VFE(t) đầu Receptor Circuit Hai số NE FE viết tắt “Near End” “Far End”, điểm tham chiếu điểm cuối Generator Circuit – mạch chứa điện áp nguồn Vs(t) Dây có chiều dài z chạy từ đến L Mục đích việc phân tích Crosstalk xác định dự đoán điện áp V NE(t) VFE(t), đồng thời xác định đặc tính Vs(t), Rs, RL, RNE RFE Một số loại truyền dẫn dây: Hình 3: Các loại dây tham chiếu a) Dây tham chiếu dây khác b) Dây tham chiếu đất c) Dây tham chiếu toàn vùng vật chất xung quanh Các dây nằm lớp trung gian đồng lớp trung gian bao quanh chúng có số điện môi Đối với trường hợp mơi trường đồng chất này, sóng điện áp sóng dịng điện dây truyền xuống dây với vận tốc: Một số ví dụ thiết kế mạch PCBs: Hình 4: Một số ví dụ thiết kế mạch PCB Hình a) biểu diễn cấu trúc Coupled Stripline Hình b) biểu diễn cấu trúc Coupled Microstrip Hình c) biểu diễn kiến trúc Lands nằm bề mặt PCB 2.2 Tham số với đơn vị chiều dài Nếu lớp trung gian xung quanh dây dẫn đồng nhất, ta có quan hệ L C sau: LC = CL = (2.2.1) Với , tính chất mơi trường trung gian, ma trận đơn vị 2x2 Từ biểu thức trên, ta cần xác định tham số ma trận : C= = (2.2.2) Ví dụ, với truyền dẫn dây, dựa vào biểu thức 2.2.2 ta có: (2.2.3) So sánh phần tử ma trận, ta thu kết sau : (2.2.4) (2.2.5) (2.2.6) Trong trường hợp môi trường trung gian bất đồng bộ, ma trận điện cảm L không bị ảnh hưởng bới lớp điện mơi bất đồng = Do đó, lớp truyền dẫn bất đồng bộ, ta cần xác định C0 C tương ứng với có lớp điện mơi 2.3 Cơ chế ghép nối Crosstalk Sơ đồ mạch bên cho thấy lý thuyết mạch sử dụng để mơ hình hóa loại nhiễu xun âm Trong sơ đồ này, có số điện dung ký sinh hai vết, tồn khớp nối rộng vết Bởi vết vịng dây dẫn, vết hoạt động giống cuộn cảm có số điện cảm ký sinh Hai cuộn cảm song song có số cảm kháng lẫn nhau, xác định độ bền cảm ứng ghép hai vết Hình 5: Các loại nhiễu xuyên âm khác PCB Việc ghép điện dung không để hiển thị tụ điện tương đương tạo cạnh vết, điều góp phần vào điện dung lẫn Điện dung gốc vết điện dung rộng kết hợp để tạo tổng điện dung tương hỗ, tất chúng nối tiếp ghép trở lại mặt đất Khi nhiễu xuyên âm xảy quan sát dạng ảnh chụp nhanh miền thời gian, khó để phân biệt đóng góp điện dung quy nạp vào nhiễu xuyên âm Đây lý có phép đo FEXT NEXT, chúng cho phép bạn định lượng nhiễu xuyên âm chuyển tiếp lùi Hãy xem cách chế ghép nối tạo hai loại nhiễu xuyên âm PCB 2.4 Vùng khớp nối Lưu ý hai loại nhiễu xuyên âm xảy khu vực định tồn kẻ xâm lược nạn nhân kết hợp Hãy nhớ sóng truyền đường truyền kéo dài khoảng cách đó, điều phụ thuộc vào số điện mơi chất Bởi tín hiệu kẻ xâm lược thay đổi phần định dấu vết kẻ xâm lược, tín hiệu xuyên âm tạo vùng nhỏ dấu vết nạn nhân Đây gọi vùng ghép nối, vùng mà tín hiệu thay đổi (xem phương trình trên) Hình ảnh cho thấy vùng ghép nối cho cạnh lên tín hiệu kỹ thuật số cặp đường truyền ghép nối Hình 6: Vùng khớp nối Lưu ý nhiễu xuyên âm chuyển tiếp ngược lại tồn đồng thời đường dây nạn nhân, lý chúng tơi quan tâm đến việc đo lường TIẾP THEO FEXT theo dõi nhiễu xuyên âm chuyển tiếp lùi Sau tín hiệu xuyên âm tổng hợp đến đầu truyền nhận đường dây, tín hiệu đo tương ứng NEXT FEXT Với phương pháp bố trí tốc độ cao phù hợp kỹ thuật thiết kế xếp chồng, bạn giảm nhiễu xuyên âm phần khác thiết kế Ở đây, chúng tơi giải nhiễu xuyên âm đầu, hiệu ứng tương tự xảy cặp vi phân Tôi sâu nhiễu xuyên âm hệ thống tương tự nhiễu xuyên âm vi sai tương lai III CƠNG THỨC TÍNH TỐN CROSSTALK Mật độ dòng điện : Khi Trace rout gần : Crosstalk tính tốn theo cơng thức: Trong : D: khoảng cách Trace H: độ cao Trace so với GND plane K: Hằng số coupling (K