Phân tích tính toàn vẹn tín hiệu và toàn vẹn nguồn trong pcb nhiều lớp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ PHÂN TÍCH TÍNH TỒN VẸN TÍN HIỆU VÀ TỒN VẸN NGUỒN TRONG PCB NHIỀU LỚP GVHD: TS ĐỖ ĐỨC TRÍ SVTH: NGƠ TÙNG HUY TRẦN NGUYỄN ANH ĐỨC SKL011088 Tp Hồ Chí Minh, năm 2023 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ - - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Đề tài: PHÂN TÍCH TÍNH TỒN VẸN TÍN HIỆU VÀ TỒN VẸN NGUỒN TRONG PCB NHIỀU LỚP GVHD: TS ĐỖ ĐỨC TRÍ SVTH: NGÔ TÙNG HUY MSSV: 19142320 SVTH: TRẦN NGUYỄN ANH ĐỨC MSSV: 19142298 KHĨA: 2019 Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2023 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc o0o NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên Sinh viên: Ngô Tùng Huy MSSV: 19142320 Họ tên Sinh viên: Trần Nguyễn Anh Đức MSSV: 19142298 Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện Tử Giáo viên hướng dẫn: TS Đỗ Đức Trí Ngày nhận đề tài: 06/02/2023 Ngày nộp đề tài: …./07/2023 Tên đề tài: Phân tích tính tồn vẹn tín hiệu tồn vẹn nguồn PCB nhiều lớp Nhiệm vụ nội dung: - Tính tốn phản xạ từ trở kháng khơng đồng tổn hao đường dây dài Đo lường độ lớn yếu tố tác động đến nhiễu xuyên âm Tìm hiểu thiết kế PDN hiệu mạch in Sử dụng nguyên tắc kiến thức lý thuyết để thực mô Đánh giá kết đạt Sản phẩm: Kết mô module mạch in tốc độ cao 2.4GHz Tp HCM, ngày… tháng… năm 2023 Giáo viên hướng dẫn Tp HCM, ngày… tháng… năm 2023 Chủ nhiệm môn i ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc o0o PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên Sinh viên: Ngô Tùng Huy MSSV: 19142320 Họ tên Sinh viên: Trần Nguyễn Anh Đức MSSV: 19142298 Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện Tử Tên đề tài: nhiều lớp Phân tích tính tồn vẹn tín hiệu tồn vẹn nguồn PCB Giáo viên hướng dẫn: TS Đỗ Đức Trí NHẬN XÉT Về nội dung đề tài khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm số: .(Bằng chữ: ) Tp HCM, ngày… tháng… năm 2023 Giáo viên hướng dẫn ii ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc o0o PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên Sinh viên: Ngô Tùng Huy MSSV: 19142320 Họ tên Sinh viên: Trần Nguyễn Anh Đức MSSV: 19142298 Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện Tử Tên đề tài: nhiều lớp Phân tích tính tồn vẹn tín hiệu tồn vẹn nguồn PCB Giáo viên hướng dẫn: TS Đỗ Đức Trí NHẬN XÉT Về nội dung đề tài khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Câu hỏi phản biện: Điểm số: .(Bằng chữ: ) Tp HCM, ngày… tháng… năm 2023 Giáo viên phản biện iii ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI CẢM ƠN Kính gửi Q thầy/cơ anh/chị, Nhóm em muốn bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến quý thầy/cô hướng dẫn giảng viên ngành điện-điện tử đặc biệt thầy Đỗ Đức Trí, người anh/chị ta bè hỗ trợ nhóm q trình thực đề tài nghiên cứu hoàn thành đồ án tốt nghiệp với chủ đề "Phân tích tính tồn vẹn tín hiệu toàn vẹn nguồn PCB nhiều lớp" Qua trình nghiên cứu viết đồ án, nhóm em nhận hỗ trợ chuyên môn lời khun q báu từ q thầy/cơ, giúp nhóm hồn thiện nghiên cứu Nhóm em xin bày tỏ lịng biết ơn đến người nhóm em chia sẻ kiến thức kinh nghiệm, tạo điều kiện thuận lợi cho trình nghiên cứu Đề tài đồ án nhóm em đưa phân tích chi tiết tính tồn vẹn tín hiệu toàn vẹn nguồn PCB nhiều lớp, với hi vọng đóng góp cho việc nghiên cứu ứng dụng lĩnh vực Nhóm em muốn bày tỏ lịng biết ơn đến Q thầy/cơ dành thời gian để đánh giá hướng dẫn nhóm em suốt q trình thực đề tài Cuối cùng, nhóm xin chân thành cảm ơn gia đình, ta bè người thân yêu động viên, ủng hộ giúp đỡ nhóm suốt q trình học tập nghiên cứu Nhóm em hy vọng, kiến thức kinh nghiệm thu từ đồ án giúp nhóm áp dụng hiệu công việc sống Trân trọng cảm ơn Kính chúc Q thầy/cơ Anh/Chị sức khỏe thành công công việc Trân trọng, Ngô Tùng Huy Trần Nguyễn Anh Đức iv ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TĨM TẮT Trong q trình thiết kế sản phẩm, đặc biệt thiết kế mạch điện tử, kỹ sư cần phải có kiến thức chun mơn sâu rộng kỹ phối hợp công việc để đảm bảo sản phẩm thiết kế đáp ứng đầy đủ yêu cầu kỹ thuật chất lượng Hiện nay, tốc độ truyền thông liệu kết nối mạch in ngày cải thiện, từ kết nối chậm truyền vài kbps, đến kết nối Gbps cao nên yếu tố quan trọng trình thiết kế Các kỹ sư cần phải có khả đánh giá lựa chọn công nghệ phù hợp để sử dụng sản phẩm mình, đồng thời phải tối ưu hóa kết nối mạch in để đạt tốc độ truyền thông liệu tối đa giảm thiểu nhiễu sai số Vì vậy, nhóm chọn đề tài “Phân tích tính tồn vẹn tín hiệu tồn vẹn nguồn PCB nhiều lớp” Đồ án phân tích cách thức thiết kế PCB nhiều lớp cho đảm bảo tính tồn vẹn tín hiệu nguồn, bao gồm đánh giá yếu tố ảnh hưởng đến tính tồn vẹn, xác định mức độ ảnh hưởng yếu tố, đưa giải pháp để đảm bảo tính tồn vẹn PCB nhiều lớp Kết đồ án giúp kỹ sư thiết kế PCB nhiều lớp thực thiết kế đạt hiệu cao tính tồn vẹn tín hiệu nguồn v ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT v MỤC LỤC vi DANH MỤC HÌNH ẢNH x DANH MỤC BẢNG xv CÁC TỪ VIẾT TẮT xvi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Tổng quan đề tài 1.2 Lý chọn đề tài 1.3 Mục tiêu đề tài, cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu 1.3.1 Mục tiêu đề tài 1.3.2 Cách tiếp cận 1.3.3 Phương pháp nghiên cứu 1.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.5 Cấu trúc đề tài CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH IN SỐ TỐC ĐỘ CAO VÀ CÁC VẤN ĐỀ CẦN QUAN TÂM 2.1 Mạch in số tốc độ cao .5 2.2 Vấn đề tồn vẹn tín hiệu (Signal Integrity) 2.2.1 Via 2.2.2 Sự cách ly thành phần 2.2.3 Chất lượng tín hiệu đường dây 2.2.4 Mặt phẳng (planes) mặt phẳng chia (split planes) .13 2.2.5 Cách dây dẫn 15 2.2.6 Nhiễu xuyên âm (Crosstalk) .16 2.2.7 Mạng lưới phân bố nguồn đất (PDN) .17 2.2.8 Nhiễu (EMI) tương thích điện từ trường (EMC) 20 vi ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2.2.9 Cách ly nguồn cấp 20 2.3 Mơ hình hóa (Modeling) cơng cụ mơ hình hóa 22 2.3.1 Các công cụ mô .22 2.3.2 Mơ hình hóa 23 2.3.3 Dải thông (Bandwidth) .24 2.4 Phương pháp luận thiết kế chung 26 2.5 Kết luận 27 CHƯƠNG 3: ĐƯỜNG DÂY DÀI VÀ CÁC VẤN ĐỀ CẦN QUAN TÂM 28 3.1 Đường dây dài gì? .28 3.2 Mơ hình đường dây dài 28 3.3 Lý thuyết truyền sóng đường dây dài 30 3.3.1 Xây dựng phương trình mơ tả dịng điện, điện áp theo thời gian theo khoảng cách 30 3.3.2 Các phương trình đặc tính đường dây dài không tổn hao 31 3.3.3 Hệ số phản xạ cơng thức tính trở kháng nhìn vào .32 3.4 Trở kháng đặc tính cấu hình đường dây dài 33 3.5 Đường dây dài phản xạ .35 3.5.1 Sự phản xạ tải, nguồn, đường dây dài không phối hợp trở kháng 35 3.5.2 Đồ thị bounce 36 3.6 Phân tích ảnh hưởng phần tử gây gián đoạn đường dây 37 3.6.1 Phối hợp trở kháng cuối đường dây 38 3.6.2 Suy hao chèn (insertion loss) 40 3.6.3 Suy hao phản xạ (return loss) 41 3.6.4 Phản xạ stub 42 3.6.5 Ảnh hưởng tụ điện đầu vào receiver 43 3.6.6 Ảnh hưởng điện dung đường dây 45 3.7 Đường dây dài tổn hao, tượng suy giảm rise time 46 3.7.1 Các nguyên nhân gây tổn hao 47 3.7.2 Tính tốn tổn hao đường dây dài 49 3.7.3 Dải thông đường dây dài 51 3.8 Kết luận 52 vii ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 4: VẤN ĐỀ NHIỄU XUYÊN ÂM TRONG MẠCH IN TỐC ĐỘ CAO 53 4.1 Nhiễu xuyên âm 53 4.2 Hệ số NEXT (Near-end crosstalk) FEXT (Far-end Crosstalk) 56 4.2.1 Hệ số NEXT .56 4.2.2 Hệ số FEXT 57 4.3 Mô nhiễu xuyên âm dùng phần mềm mô .59 4.4 Đường dây bảo vệ (guard trace) 62 4.5 Kết luận 64 CHƯƠNG 5: MẠNG LƯỚI PHÂN BỐ NGUỒN - ĐẤT 65 5.1 Tính tốn trở kháng mục tiêu Ztarget 66 5.1.1 Tính dịng điện q độ 66 5.1.2 Tính trở kháng mục tiêu 69 5.2 Các phần tử PDN 70 5.2.1 Mạch ổn áp VRM .71 5.2.2 Điện dung on-die 72 5.2.3 Điện cảm package 72 5.2.4 Tụ điện 73 5.3 Phân tích thiết kế chọn tụ điện 75 5.3.1 Điện cảm kí sinh theo mạch vịng kín 75 5.3.2 Sử dụng nhiều tụ .78 5.4 Lựa chọn giá trị tụ 79 5.5 Lựa chọn số lượng tụ 81 5.6 Kết luận 82 CHƯƠNG 6: HIGHSPEED ỨNG DỤNG TRONG THIẾT KẾ MODULE MẠCH IN PCB 84 6.1 Giới thiệu sản phẩm sơ đồ nguyên lý .84 6.2 Ước tính tổn hao, lựa chọn vật liệu .87 6.2.1 Ước tính tổn hao lựa chọn vật liệu 87 6.2.2 Thiết kế stack-up 88 6.2.3 Tính tốn stack-up 89 viii