tương thích điện từ đề tài crosstalk

Hiện tượng này sinh ra do tồn tạiđiện cảm ký sinh giữa 2 Trace.Ví dụ: Khi dòng điện khứ hồi của tín hiệu số đi cắt ngang qua vùng của tín hiệu tươngtự, sẽ gây nhiễu lên các tín hiệu tươn

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

******************************

TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ ĐỀ TÀI: CROSSTALK

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Việt Sơn

Hà Nội – 2023

DANH MỤC HÌNH ẢNH Error! Bookmark not defined.

I TỔNG QUAN VỀ NHIỄU XUYÊN ÂM 3

1.1 Đặt vấn đề 3

1.2 Crosstalk là gì? 3

1.3 Nguyên nhân gây ra Crosstalk 3

1.3.1 Thành phần điện cảm và tụ điện kí sinh trên đường dây 3

1.3.2 Một số nguyên nhân khác 4

1.4 Các loại Crosstalk: 2 loại 4

1.5 Vai trò của việc loại bỏ Crosstalk trong bài toán EMC 5

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 Đường truyền 3 dây và Crosstalk 5

2.3 Tham số với mỗi đơn vị chiều dài 10

2.4 Cơ chế ghép nối và Crosstalk 11

2.5 Vùng ghép nối 11

3 CÔNG THỨC TÍNH TOÁN CROSSTALK 12

4 XUYÊN ÂM ẢNH HƯỞNG THÉ NÀO ĐẾN CÁC THÔNG SỐ ĐƯỜNGTRUYỀN? ……… ……16

5 CÁC KỸ THUẬT GIẢM NHIỄU XUYÊN ÂM 17

5 Các kỹ thuật giảm thiểu nhiễu xuyên âm 17

5.1 Duy trì sự tách biệt thích hợp giữa các lớp Trace 17

5.2 Sử dụng Trace bảo vệ 18

5.3 Áp dụng cách đi dây trực giao theo các lớp 18

5.4 Thực hiện khoan ngược via (Back drill) 19

5.5 Chọn đi dây cặp vi sai Different Pair: 20

5.6 Sử dụng các đường truyền tách biệt 20

5.7 Giảm việc đi dây Trace song song với độ dài lớn 20

5.8 Chấm dứt truyền dẫn chế độ “chẵn” và “lẻ” đúng cách – Terminate even andodd mode transmission properly ……… …………22

VI CÁC VÍ DỤ THỰC TẾ 21

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 22

2

I TỔNG QUAN VỀ NHIỄU XUYÊN ÂM

1.1 Đặt vấn đề

Trong hệ thống điện tử, luôn tồn tại nhiễu Ảnh hưởng của chúng làm cho hệ thốnghoạt động không như mong muốn hoặc không đảm bảo các giới hạn quy định củaFCC (A radio-frequency device is any device that in its operation is capable ofemitting radio-frequency energy by radiation, conduction, or other means).

Với trường hợp 2 dây dẫn đi gần nhau trên PCB, có sự ảnh hưởng điện từ trường giữachúng, đó là Crosstalk Crosstalk là một trong số những loại nhiễu mà người thiết kếcần phải chú ý để giảm thiểu ảnh hưởng đến các thành phần xung quanh trên mạchPCB.

1.2 Crosstalk là gì?

Crosstalk là sự ảnh hưởng điện từ trường của các thành phần đặt gần nhau trên PCB Crosstalk có thể được truyền qua sự bức xạ từ trường hoặc ghép nối điện trường giữacác tín hiệu

Đường dây mang tín hiệu nguồn được gọi là đường dây nóng (Active Net, AggressorNet, Disturbing Net) Đường dây bị ảnh hưởng được gọi là đường dây nguội (QuietNet, Victim Net, Disturbed Net).

1.3 Nguyên nhân gây ra Crosstalk

1.3.1 Thành phần điện cảm và tụ điện kí sinh trên đường dây.

Trên mỗi đường dây luôn tồn tại các thành phần tụ điện và điện cảm ký sinh Xét trường hợp hai Trace được đi gần nhau trong mạch PCB Gọi Trace có dòng điệnchảy qua là Aggressor Trace chịu ảnh hưởng của nhiễu do driven Net gây ra làVictim.

Hình 1: Thành phần điện cảm và điện dung

Khi trạng thái Logic của tín hiệu trên Aggressor chuyển từ Logic 0 lên 1 thì tồn tạidòng điện chảy qua nó Electron trên Aggressor di chuyển đến điểm X, nó sẽ đẩyelectron trên Victim tại điểm đó Các electron trên Victim sẽ di chuyển ra xa điểm X

3

theo 2 chiều ngược nhau Hiện tượng này sinh ra do tồn tại tụ điện ký sinh giữa 2Trace Đồng thời, dòng điện chảy trên Aggressor tạo ra từ trường bao quanh Trace đó.Vùng từ trường này sẽ tạo ra dòng điện cảm ứng trên Victim Dòng điện cảm ứng cóchiều ngược với chiều dòng điện trên Aggressor Hiện tượng này sinh ra do tồn tạiđiện cảm ký sinh giữa 2 Trace.

Ví dụ: Khi dòng điện khứ hồi của tín hiệu số đi cắt ngang qua vùng của tín hiệu tươngtự, sẽ gây nhiễu lên các tín hiệu tương tự.

Sự phát xạ tín hiệu của tần số cao: Với tín hiệu tần số cao, năng lương bức xạcủa tín hiệu ra bên ngoài càng lớn phụ thuộc vào tần số hoạt động Khi đóTrace mang tín hiệu tần số cao sẽ hoạt động như một chiếc antena, năng lượngbức xạ gây nhiễu các thành phần xung quanh.

1.4 Các loại Crosstalk: 2 loại

Nhiễu xuyên âm điện dung: Phát sinh do các Trace chạy chồng lên nhau hoặcgần nhau sinh ra hiệu ứng điện dung.

Nhiễu xuyên âm điện cảm: Nó tạo ra do tương tác từ trường giữa các Tracechạy song song trên một khoảng cách dài Nhiễu xuyên âm điện cảm chia làmhai loại: forward và backward

Near-end Crosstalk (NEXT): được đo ở đầu phát của đường truyền hoặc cáp.Far-end Crosstalk (FEXT): được đo ở đầu thu của đường truyền hoặc cáp.

Tổng công suất nhiễu xuyên âm near-end (PSNEXT): Là tổng của NEXT

của ba cặp tác nhân khi nó tác động đến cặp victim thứ tư PSNEXT cung cấp4

tổng số nhiễu xuyên âm từ tất cả các cặp liền kề và liên quan đến việc đo lườngtất cả các nhóm từng cặp liên quan đến công suất.

Độ xuyên âm far-end mức độ ngang bằng (ELFEXT): Là phép đo FEXT

liên quan đến bù suy hao.

1.5 Vai trò của việc loại bỏ Crosstalk trong bài toán EMC

Việc loại bỏ nhiễu xuyên âm trong bài toán EMC là việc vô cùng quan trọng Trongthiết kế PCB chúng ta cần loại bỏ tối đa sự ảnh hưởng của nhiễu xuyên âm để đảmbảo được tính toàn vẹn của tín hiệu, đặc biệt với các đường dữ liệu tốc độ cao, có sựchuyển mạch nhanh

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Một trong những phương diện quan trọng nhất trong các thiết kế sản phẩm tương thíchđiện từ đó là Crosstalk – Nhiễu xuyên âm phải thiết kế sản phẩm sao cho chúng khôngtự gây nhiễu cho chính mình Với sự gia tăng chóng mặt của tốc độ clock trong các hệthống mạch số, Crosstalk giữa đất và các dây tín hiệu trong PCBs là một phần rất quantrọng trong thiết kế chống nhiễu ở các hệ thống số hiện đại

Lưu ý: Giữa các đường truyền 2 dây (Two-conductor Transmission Line), KHÔNGtồn tại Crosstalk Crosstalk xảy ra khi có nhiều hơn 2 dây.

2.1 Đường truyền 3 dây và Crosstalk

Khi ta thêm một dây dẫn thứ 3 vào hệ thống truyền dẫn 2 dây, nhiễu sẽ xuất hiện giữamạch (hoặc dây dẫn) được thêm vào và cuối đường dây được thêm vào, đó làCrosstalk.

Hình 2: Mô hình đường truyền 3 dây

Nguồn gồm điện trở nguồn R và điện áp nguồn V (t) được kết nới với tải R thôngssL

qua Generator Conductor và Reference Conductor Trong thực tế, lớp điện môi xung

5

quanh dây sẽ là bất đồng bộ Tuy nhiên, để bài toán đơn giản, ta giả sử các dây làđồng bộ với nhau

Generator Circuit gồm Generator Conductor và Reference Conductor Giữa chúng cóđiện áp V (z,t) và tồn tại dòng điện I (z,t) dọc theo dây dẫn Dòng điện và điện áp liêngg

quan tới Generator Circuit phát ra một trường điện từ, trường này tương tác vớiReceptor Circuit Receptor Circuit bao gồm Receptor Conductor và ReferenceConductor Sự tương tác giữa mạch và trường điện từ sinh ra dòng I (z,t) và điện ápr

Vr(z,t) trong Receptor Circuit Điều này tạo ra điện áp V (t) và V (t) ở 2 đầuNEFE

Receptor Circuit Hai chỉ số NE và FE là viết tắt của “Near End” và “Far End”, điểmtham chiếu ở đây là điểm cuối của Generator Circuit – mạch chứa điện áp nguồn Vs(t).Dây này có chiều dài z chạy từ 0 đến L.

Mục đích của việc phân tích Crosstalk và xác định hoặc dự đoán điện áp V (t) vàNE

VFE(t), đồng thời xác định đặc tính của V (t), R , R , R và R ssLNEFE

Một số loại truyền dẫn 3 dây:

Hình 3: Các loại dây tham chiếu

6

a) Dây tham chiếu là một dây khác b) Dây tham chiếu là đất

c) Dây tham chiếu là toàn bộ vùng vật chất xung quanh

Các dây này nằm trong một lớp trung gian đồng nhất do lớp trung gian bao quanhchúng có cùng một hằng số điện môi Đối với các trường hợp môi trường đồng chấtnày, mọi sóng điện áp và sóng dòng điện trên dây sẽ truyền xuống dây với cùng vậntốc:

(2.1)Một số ví dụ trong thiết kế mạch PCBs:

Hình 4: Một số ví dụ trong 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 trên bề mặt của PCB.

Các dây dẫn của máy phát và bộ tiếp nhận có tiết diện hình chữ nhật và được gọi làland có liên hệ tới rãnh đi dây Hình 3 a) cho thấy những gì được gọi là một đường dải

7

được ghép nối Dây dẫn tham chiếu bao gồm hai mặt phẳng vô hạn Các land đượcđặt trong một môi trường đồng nhất giữa hai mặt phẳng Cấu hình này đại diện choPCB có các mặt bên trong Bởi vì môi trường bao quanh các vùng đất là đồng nhất, tấtcả điện áp và dòng điện trên những land này sẽ truyền xuống dây với cùng vận tốccho bởi công thức (2.1) PCB điển hình được cấu tạo bằng Epoxy thủy tinh, có độ chophép tương đối xấp xỉ 4:7 Vì thế sóng điện áp và sóng dòng điện trên đường truyềnvới vận tốc v ¼ 1:38 108 m / s hoặc v ¼ 5:45 in./ns Hình 3 b) cho thấy microstripđược ghép nối Điều này phổ biến trong mạch vi sóng và được biểu diễn trên PCBbằng bên ngoai vùng đất của một bảng bên trong Vì điện trường nằm một phần trongbảng vật chất và một phần không khí xung quanh, có hai vận tốc truyền của sóng điệnáp và sóng dòng điện và cả hai đều khác tốc độ ánh sáng.

Hình 3 c) đại diện cho các land trên bề mặt bên ngoài của PCB nơi một land đóng vaitrò là dây dẫn tham chiếu Một lần nữa, kể từ khi điện trường về những phần đất mộtphần nằm trong vật liệu ván và một phần trong không khí, có hai vận tốc là sự lantruyền của sóng điện áp và dòng điện và cả tốc độ ánh sáng.

Các thông số cần thiết trên một đơn vị độ dài của điện dung và độ tự cảm cho ba cấuhình bao gồm các vùng đất không thể được xác định như các phương trình đơn giản.

2.2 Phương trình cho đường truyền không suy hao:

Phân tích đường truyền đa dây dựa trên giả định chế độ truyền dẫn điện từ quantrọng (TEM) và chế độ quasi-TEM Suy hao trên đường dẫn thường được bỏqua Các phương trình MTL dựa trên mạch tương đương đơn vị chiều dài củacác phần tử đường dẫn.đơn vị chiều dài của các phần tử đường dẫn.

(9.2a)(9.2b)(9.2c)(9.2d)

HÌNH 9.4 Mạch tương đương trên mỗi đơn vị chiều dài của đường dây truyền tải ba dây dẫn

Tín hiệu ở (9.2) là trên miền thời gian Với kích thích dạng sóng sin 1 tần số, tathay đạo hàm của thời gian thành jω, với ω = 2πf là tần số góc của nguồn và f làtần số.

Để quay lại miền thời gian ta nhân biến pha với e và lấy phần thực của kếtjωt

2.3 Tham số với mỗi đơn vị chiều dài

Nếu lớp trung gian xung quanh dây dẫn là đồng nhất, ta có mỗi quan hệ giữa L và Cnhư sau:

Với , là tính chất của môi trường trung gian, là ma trận đơn vị 2x2.1

Từ biểu thức trên, ta chỉ cần xác định một tham số trong ma trận :C =

Trong trường hợp môi trường trung gian là không đồng chất, ma trận điện cảm L

không bị ảnh hưởng bới lớp điện môi bất đồng bộ do = Do đó, đối với lớp truyền0

dẫn bất đồng bộ, ta cần xác định C0và tương ứng với khi không có và có lớp điệnC

2.4 Cơ chế ghép nối và Crosstalk

Sơ đồ mạch bên dưới cho thấy lý thuyết mạch được sử dụng như thế nào để mô hìnhhóa các loại nhiễu xuyên âm Trong sơ đồ này, có một số điện dung ký sinh giữa haitrace, tồn tại do ghép nối ngang giữa các trace Bởi vì mỗi trace là một vòng dây dẫn,mỗi trace hoạt động giống như một cuộn cảm và có một số điện cảm ký sinh Haicuộn cảm song song có hỗ cảm, làm xác định độ mạnh của cảm ứng ghép giữa haitrace.

Hình 5: Các loại nhiễu xuyên âm khác nhau trong PCB

Việc ghép điện dung không chỉ để thể hiện điện dung tương đương được tạo ra bởi cáccạnh của trace, mặc dù điều này góp phần điện dung tương hỗ Điện dung gốc của mỗitrace và điện dung ngang kết hợp để tạo ra tổng điện dung tương hỗ, tất cả chúng đềunối tiếp và được ghép trở lại ground plane

Khi nhiễu xuyên âm xảy ra và được quan sát tại 1 thời điểm trong miền thời gian, rấtkhó để phân biệt điện dung và điện cảm góp phần vào nhiễu xuyên âm Đây là lý dotại sao chúng ta có các phép đo FEXT và NEXT, về cơ bản chúng cho phép bạn địnhlượng nhiễu xuyên âm chuyển tiếp và lùi

2.5 Vùng ghép nối

Lưu ý rằng cả hai loại nhiễu xuyên âm chỉ xảy ra trong một khu vực nhất định tồn tạigiữa aggressor và victim bị ghép nối Hãy nhớ rằng một sóng truyền trên một đườngtruyền được kéo dài ra trên một khoảng cách nào đó, điều này phụ thuộc vào hằng số

10

điện môi của chất nền Bởi vì tín hiệu aggressor chỉ thay đổi trong một phần nhất địnhcủa aggressor trace, tín hiệu xuyên âm sẽ chỉ được sinh ra trong một vùng nhỏ củavictim trace Đây được gọi là vùng ghép nối, và nó là vùng mà tín hiệu đang thay đổi.Hình ảnh dưới đây cho thấy vùng ghép nối ở cạnh lên của tín hiệu kỹ thuật số trên mộtcặp đường truyền bị ghép nối.

Hình 6: Vùng khớp nối

Lưu ý rằng nhiễu xuyên âm chuyển tiếp và lùi có thể tồn tại đồng thời trên dây victim,đó là lý do tại sao ta quan tâm đến việc đo lường NEXT và FEXT hơn là theo dõinhiễu xuyên âm chuyển tiếp hoặc lùi Sau khi tín hiệu xuyên âm tổng hợp đến đầutruyền hoặc nhận của đường dây, tín hiệu đó có thể được đo tương ứng là NEXT hoặcFEXT Với các phương pháp bố trí mạch tốc độ cao phù hợp và kỹ thuật thiết kế xếpchồng, ta có thể giảm nhiễu xuyên âm giữa các phần khác nhau trong mạch của mình.Ở đây, ta chỉ giải quyết nhiễu xuyên âm một đầu, nhưng các hiệu ứng tương tự xảy ratrong các cặp vi phân

3 CÔNG THỨC TÍNH TOÁN CROSSTALK

Mật độ dòng điện khứ hồi :

11

Khi 2 Trace được route gần nhau thì :

Crosstalk được tính toán theo công thức:

Trong đó :

D: khoảng cách giữa các Trace.H: độ cao của Trace so với GND plane.K: Hằng số coupling (K<1)

Trong đó V victimlà điện áp trên đường dây victim

V aggressor là điện áp trên đường dây phát xạ.

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ lớn của nhiễu xuyên âm

1 Mức độ kết hợp giữa đường tác nhân và victim2 Khoảng cách mà khớp nối xảy ra

3 Hiệu quả của loại termination resistor (điện trở cuối) được sử dụng

4 Xuyên âm ảnh hưởng như thế nào đến các thông số đường truyền?

12

Điện từ trường trên đường dây của victim và tác nhân tương tác với nhau Đổi lại, chúng ảnh hưởng đến trở kháng và tín hiệu lan truyền trên đường truyền Hai đường này có thể được gọi là một hệ thống hai dây dẫn mà ở đó hai trace riêng biệt ảnh hưởng đến sự truyền tín hiệu qua chúng Hai chế độ lan truyền có thể được xem xét: chế độ chẵn (cả dòng cùng pha) và chế độ lẻ (dòng lệch pha 180 độ).

Trong chế độ truyền số lẻ, một sự khác biệt tiềm năng đáng kể sẽ tồn tại giữa hai đường truyền Hiệu điện thế này sẽ làm tăng điện dung hiệu dụng bằng giá trị của điệndung tương hỗ.

Dòng trường trong quá trình truyền chế độ lẻ.

Vì dòng điện trong cả hai đường dây chạy ngược chiều nhau nên nó sẽ làm giảm tổng độ tự cảm theo giá trị độ tự cảm lẫn nhau (Lm).

Dòng điện trong quá trình truyền chế độ lẻ.

Trở kháng đường truyền cho chế độ lẻ được cho bởi:

13

Lưu ý rằng Z differential = 2Zodd

Độ trễ lan truyền đường truyền đối với chế độ lẻ được cho bởi:

Trong chế độ truyền dẫn chẵn, hai đường (victim và tác nhân) sẽ luôn có tiềm năng như nhau Điều này sẽ làm giảm điện dung hiệu dụng bằng giá trị điện dung tương hỗ.

Dòng trường trong quá trình truyền chế độ chẵn.

Vì dòng điện trong cả hai đường dây chạy theo cùng một hướng, nó sẽ làm tăng tổng cảm bằng giá trị độ tự cảm lẫn nhau (Lm).

14

Dòng điện trong quá trình truyền chế độ chẵn.

Trở kháng đường truyền cho chế độ chẵn được cho bởi:

Độ trễ lan truyền đường truyền cho chế độ chẵn được cho bởi:

Không thể giảm nhiễu xuyên âm ở cấp hệ thống Các chu trình mô hình hóa và mô hình hóa tích hợp có thể được sử dụng để giảm thiểu nhiễu xuyên âm trên các cấp độ thiết bị Nếu không được kiểm soát đúng cách, nó có thể biến bảng mạch của bạn thành không hoạt động Mặc dù các nhà thiết kế PCB đảm bảo khoảng cách tối thiểu giữa các trace, nhưng nó có thể không đảm bảo cho các vấn đề liên quan.

15

5 CÁC KỸ THUẬT GIẢM NHIỄU XUYÊN ÂM

5 Các kỹ thuật giảm thiểu nhiễu xuyên âm

5.1 Duy trì sự tách biệt thích hợp giữa các lớp Trace

Là khoảng cách thích hợp giữa các Trace (áp dụng quy tắc 3W – 3 lần độ rộngTrace) Nếu sự phân tách thích hợp không được duy trì, thì nó sẽ làm tăng điện dunglẫn nhau (c ) Quy tắc 3W giảm nhiễu xuyên âm 70% Để giảm 98% nhiễu xuyên âm,m

Tuy nhiên với bo mạch 2 layer, khoảng cách giữa đường định tuyến và chiềucao của lớp tham chiếu (45 ~ 55mils) (1.143mm ~ 1.397mm ), luâ •t 3W có thểkhông đủ để định tuyến tín hiệu tốc độ cao Nguyên tắc 3W thường được thiếtlập trong điều kiện đường truyền trở kháng đặc tính 50 ohm.

Nguyên tắc 3W có ý nghĩa khi nhiều đường tín hiệu tốc độ cao được định tuyếntrong một khoảng cách dài, khoảng cách của chúng phải tuân theo nguyên tắc3W, chẳng hạn như đường xung clock, đường vi sai, đường tín hiệu video và

Hình 10 Quy tắc 3W