Bằng cách sử dụng công cụ mô phỏng Hyperlynx của hãng Mentor Graphics; bài báo này sẽ phân tích, mô phỏng và đưa ra các kết quả để thể hiện sự giảm thiểu nhiễu xuyên kênh trong khi thiết kế các bo mạch in tốc độ cao.
Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) Ảnh hưởng nhiễu xuyên kênh đến chất lượng tín hiệu bo mạch tốc độ cao Tăng Tấn Chiến Bùi Tấn Lộc Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Email: ttchien@ac.udn.vn Công ty TNHH Acronics, Đà Nẵng Email: buitanloc2008@gmail.com lại đường mạch bo mạch Bài báo phân tích nhiễu xuyên kênh bo mạch tốc độ cao, sử dụng phần mềm Hyperlynx hãng Mentor Graphics để mơ từ đánh giá kết [7], [8] Tóm tắt—Nhiễu xuyên kênh loại nhiễu thường gặp ảnh hưởng xấu đến tín hiệu bo mạch tốc độ cao Nhiễu xuyên kênh hai đường mạch tỉ lệ nghịch với khoảng cách hai đường mạch bo Nhiễu xuyên kênh loại nhiễu cần quan tâm để đảm bảo tính tồn vẹn tín hiệu Muốn giảm thiểu nhiễu xuyên kênh, nhà thiết kế phải phân tích mơ tín hiệu bo mạch trước sau thiết kế mạch in Bằng cách sử dụng công cụ mô Hyperlynx hãng Mentor Graphics; báo phân tích, mơ đưa kết để thể giảm thiểu nhiễu xuyên kênh thiết kế bo mạch in tốc độ cao II A Nhiễu xun kênh Từ khóa—Nhiễu xun kênh; tính tồn vẹn tín hiệu; tín hiệu tốc độ cao; bo mạch; suy hao tín hiệu; phân tích; mơ I GIỚI THIỆU Trong hệ thống điện tử số, dạng điện áp dòng điện biểu diễn dãy tín hiệu nhị phân, với khoảng cách ngắn tốc độ bit liệu thấp dây dẫn đơn giản truyền ngun vẹn tín hiệu từ nguồn đến đích Tuy nhiên, với khoảng cách truyền dài tốc độ liệu cao có nhiều hiệu ứng tác động đến tín hiệu, làm cho tín hiệu bị suy giảm gây lỗi cho hệ thống, trình phân tích tồn vẹn tín hiệu vô quan trọng bo mạch tốc độ cao [6] Các hiệu ứng gây nhiễu có nhiều mức: mức kết nối bên IC tích hợp cao đến chân chúng, mức bo mạch in mức cổng kết nối đến bo mạch in bên Trong mức ta quan tâm đến mức bo mạch in, tức kết nối từ chip đến chip từ chip đến cổng kết nối [9] Một vài vấn đề liên quan đến tính tồn vẹn tín hiệu mức bo mạch in là: nhiễu phản xạ tín hiệu, nhiễu xuyên kênh, nhiễu nguồn đất, vấn đề EMI Nhiễu phản xạ xảy không phối hợp trở kháng đoạn mạch, ảnh hưởng đoạn dư thừa, điểm kết nối hay gián đoạn cổng kết nối Nhiễu nguồn đất nhiễu ký sinh nhiễu hệ thống Nhiễu xuyên kênh ảnh hưởng qua ISBN: 978-604-67-0349-5 NHIỄU XUYÊN KÊNH TRONG CÁC BO MẠCH TỐC ĐỘ CAO Nhiễu xuyên kênh nhiễu ảnh hưởng điện trường ghép đường mạch in lớp mạch in hay hai lớp mạch in kề Nhiễu xuyên kênh xảy thời điểm đường mạch in mang tín hiệu chuyển mạch từ mức cao sang thấp ngược lại Trong khoảng thời gian chuyển mạch này, đường mạch in mang tín hiệu gây dịng điện điện áp lên đường mạch in đặt gần Hiệu ứng không mong muốn tác động lên đường mạch in mang tín hiệu quan trọng tín hiệu đồng bộ, tín hiệu tốc độ cao làm gây lỗi cho hệ thống [9] Hai đường mạch in đặt gần xuất điện dung ghép điện cảm ghép chúng Vì vậy, nhiễu xuyên kênh phụ thuộc vào hai thông số: ghép điện dung ghép điện cảm đường mạch in kề [4], [5] Hình Nhiễu xuyên kênh ghép điện cảm Biên độ nhiễu ghép điện cảm: VNoise Lm 470 dldriver dt (1) Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thơng tin (ECIT2014) Hình Nhiễu xun kênh ghép điện dung Biên độ nhiễu ghép điện dung: I Noise Cm dldriver dt Hình Sơ đồ mạch mô (2) - Kịch 1: Sử dụng hai đường mạch in đặt kề lớp B Phân loại nhiễu xuyên kênh - Kịch 2: Sử dụng hai đường mạch in đặt chồng hai lớp kế cận Xem xét hai đường mạch in hình Đường mạch in mang tín hiệu chuyển mạch gọi đường “tác nhân”, đường mạch in liền kề với đường “tác nhân”, chịu ảnh hưởng nhiễu xuyên kênh đường “tác nhân” gây gọi đường “bị tác động” Đường “tác nhân” chuyển mạch tạo đường “bị tác động” hai loại nhiễu xuyên kênh Nhiễu xuyên kênh chạy hướng với hướng truyền tín hiệu gọi nhiễu xuyên kênh chiều Nhiễu xuyên kênh chạy theo hướng ngược lại nhiễu xuyên kênh ngược chiều [4] Qua hai kịch mô ta xem xét kết mơ từ đưa kết luận A Khi hai đường mạch in nằm lớp Sử dụng cặp đường mạch in lớp thứ 20 cấu trúc mạch in gồm 22 lớp Lớp mạch in thứ 20 lớp tín hiệu bố trí hai lớp mặt phẳng nguồn (lớp 19) lớp mặt phẳng GND (lớp 21) Việc bố trí lớp làm cho đường mạch in lớp 20 đảm bảo trở kháng, chống nhiễu tốt Khoảng cách từ lớp thứ 19 đến lớp 20 (lớp tham chiếu tín hiệu lớp 19) h = 4.5 mils (1mil = 0.0254mm) Tốc độ truyền tín hiệu kênh truyền 10Gb/s Độ dài đường mạch in từ bên phát đến bên thu l = 20 inch Hình Các loại nhiễu xuyên kênh Thực mô với khoảng cách hai đường mạch tăng dần Cả hai loại nhiễu xun kênh có đặc tính biên độ khác chúng ảnh hưởng đến tín hiệu cần phải loại bỏ III 1) Kết mô lần 1, kịch 1: Đường mạch in thứ mang tín hiệu, đường mạch in thứ hai chưa mang tín hiệu: MƠ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Trong phần sử dụng phần mềm HyperLynx hãng Mentor Graphic để mô đánh giá nhiễu xuyên kênh bo mạch [8] + Lần thứ 1: d = mil< h Sử dụng mạch mô hình 4, với kênh truyền thứ truyền tín hiệu từ đầu phát (U1) đến đầu thu (U2) Kênh truyền truyền tín hiệu chuyển mạch - đường “tác nhân” Kênh truyền thứ hai truyền từ đầu phát (U4) đến đầu thu (U5) Kênh truyền thứ hai chưa có tín hiệu - đường “bị tác động” Cả hai kênh truyền có model bên phát hphy_tx.ibs, model bên thu stratix_v_gx_rx.ibs Dựa mạch mô ta xem xét nhiễu xuyên kênh hai kịch mô [8] + Lần thứ 3: d = 18 mils = 4h ISBN: 978-604-67-0349-5 + Lần thứ 2: d = mils =2h L19_PWR6 L21_GND6 Hình Ảnh hưởng trường điện từ hai kênh truyền khoảng cách chúng 1mil 471 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) 1000.0 1000.0 V [U1.1 (at pin) / U1.2 (at pin)] 800.0 800.0 600.0 600.0 400.0 400.0 V o l t a g e m V - V o l t a g e m V- 200.0 -0.00 200.0 -0.00 -200.0 -200.0 -400.0 -400.0 -600.0 -600.0 -800.0 -800.0 -50.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 Time (ps) 250.00 300.00 350.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 Time (ps) 250.00 300.00 350.00 400.00 400.00 Hình Giản đồ mắt tín hiệu đường thứ đầu thu khoảng cách chúng 1mil Hình Giản đồ mắt tín hiệu đường thứ đầu phát khoảng cách chúng 1mil BẢNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG LẦN 1, KỊCH BẢN Tốc độ bit Độ dài đường mạch (inch) Khoảng cách đường mạch (mils) Đường mạch Truyền / Nhận Peak-to-peak Max peak (mV) Min peak (mV) Positive Oversh oot (mV) Negative Overshoot (mV) Eye width (ps) Eye Height (mV) Truyền 1.32 V 665.2 -651.1 195.4 183.6 90.726 658.9 Nhận 1.09 V 586.6 -499.5 274.3 232.7 34.602 125 Truyền 185.1 mV Nhận 126.4 mV Truyền 1.35 V 676.4 -676.4 204.8 205.9 90.747 650.1 Nhận 1.12 V 586.8 -531.1 234.3 210.7 51.022 228.6 Truyền 13.38 mV Nhận 3.57 mV Truyền 1.35 V 676.5 -676.5 204.9 206 90.743 650.1 Nhận 1.12 V 586.8 -531.2 234.2 210.7 51.051 228.8 Truyền 1.78 mV Nhận 890.613 uV Đường 1 Đường Đường 10G 20 Đường Đường 18 Đường đường nhận Khi khoảng cách hai đường tăng nhiễu xuyên kênh giảm dần biên độ Kết quả: Dựa vào kết bảng 1, ta thấy khoảng cách hai đường mil đường thứ khơng mang tín hiệu xuất nhiễu với biên độ lên đến 185.1 mV đường truyền 126.4 mV ISBN: 978-604-67-0349-5 2) Kết mô lần 2, kịch 1: 472 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) Cả hai đường mạch in mang tín hiệu Kết quả: Tương tự kết mô lần thứ nhất, khoảng cách hai đường truyền xa dần nhiễu xuyên kênh hai đường truyền giảm dần Thực tương tự với khoảng cách đường mạch in lần BẢNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG LẦN Tốc độ bit Độ dài đường mạch (inch) Khoảng cách đường mạch (mils) Đường mạch Truyền / Nhận Peak-topeak Max peak (mV) Min peak (mV) Positive Overshoot (mV) Negative Overshoot (mV) Eye width (ps) Eye Height (mV) Truyền 1.23 V 627.7 -604.5 159.4 144.3 88.106 691.2 Nhận 1.05 V 586.9 -467.2 286.9 306.8 1.187 3.31 Truyền 1.27 V 683.1 -582.1 212.8 119.9 87.759 697 Nhận 1.08 V 586.7 -493.1 291.9 241.8 2.476 7.42 Truyền 1.35 V 672 -673.5 200.7 203.8 90.715 650.9 Nhận 1.12 V 586.8 -529.9 234.6 209.6 51.027 228.3 Truyền 1.35 V 675.8 -671.5 204.2 201.5 90.679 649.9 Nhận 1.12 V 586.7 -531.6 234.5 211.2 51.105 229 Truyền 1.35 V 676.3 -676.4 204.6 205.9 90.74 650.1 Nhận 1.12 V 586.8 -531.2 234.2 210.6 51.089 229 Truyền 1.35 V 676.4 -676.2 204.7 205.8 90.736 648.8 Nhận 1.12 V 586.7 -531.3 234.1 210.7 51.13 229.3 Đường 1 Đường Đường 10G 20 Đường Đường 18 Đường 1) Kết mô lần 1, kịch 2: B Khi hai đường mạch in nằm lớp kế cận Sử dụng mạch in gồm 10 lớp Đường mạch in thứ nằm lớp thứ 7, đường mạch in thứ hai nằm lớp thứ Hai lớp tín hiệu thứ đặt lớp (mặt phẳng nguồn) lớp (mặt phẳng GND) Khoảng cách lớp 4.5 mils, khoảng cách lớp lớp 6, lớp lớp 4.2 mils Đường mạch in thứ mang tín hiệu, đường mạch in thứ hai chưa mang tín hiệu + Lần thứ 1: d = mil trùng + Lần thứ 2: d = 13.5 mils + Lần thứ 3: d = 27 mils Tốc độ truyền tín hiệu kênh truyền 10Gb/s Độ dài đường mạch in từ bên phát đến bên thu l = inch Thực mô với khoảng cách hai đường mạch tăng dần: ISBN: 978-604-67-0349-5 473 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thơng Cơng nghệ thơng tin (ECIT2014) L6_PWR Hình Ảnh hưởng trường điện từ hai kênh truyền khoảng cách chúng 4.5 mils L9_GND BẢNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG LẦN 1, KỊCH BẢN Tốc độ bit Độ dài đường mạch (inch) Khoảng cách đường mạch (mils) Đường mạch Truyền / Nhận Peak-topeak Max peak (mV) Min peak (mV) Positive Overshoot (mV) Negative Overshoot (mV) Eye width (ps) Eye Height (mV) Truyền 1.44 V 711.5 -723.9 210.8 224.2 82.444 804.8 Nhận 1.20 V 599.3 -599 79.88 87.25 89.461 Truyền 296.1 mV Nhận 100.6 mV Truyền 1.45 V 719.2 -728.1 211.5 223.9 82.073 827.2 Nhận 1.22 V 612.4 -603.1 84.17 83.82 89.239 893.3 Truyền 141.6 mV Nhận 69.04 mV Truyền 1.47 V 729.8 -736.9 217.8 225.6 81.895 843.9 Nhận 1.24 V 622.2 -617.7 86.82 88.97 89.205 915.2 Truyền 23.33 mV Nhận 11.09 mV Đường 873 Đường Đường 10G 13.5 Đường Đường 27 Đường Nhận xét: Khi hai đường truyền đặt chồng lên nhiễu xuyên âm lớn Như bảng 3, đường truyền thứ hai chưa có tín hiệu chịu nhiễu từ đường truyền thứ có biên độ nhiễu lên đến 296.1 mV với bên phát 100.6 mV với bên thu Khi ta tăng khoảng cách kênh truyền biên độ nhiễu xuyên kênh giảm dần Cả hai đường mạch in mang tín hiệu Nhận xét: Trong trường hợp hai đường mang tín hiệu, nhiễu xuyên kênh tác động qua lại hai đường Điều làm cho tín hiệu đầu phát thu hai đường truyền bị nhiễu Khi khoảng cách hai đường xa nhiễu xuyên kênh hai kênh giảm 2) Kết mô lần 2, kịch 2: ISBN: 978-604-67-0349-5 474 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) BẢNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG LẦN 2, KỊCH BẢN Tốc độ bit Độ dài đường mạch (inch) Khoảng cách đường mạch (mils) Đường mạch Truyền / Nhận Peak-to-peak Max peak (mV) Min peak (mV) Positive Overshoot (mV) Negative Overshoot (mV) Eye width (ps) Eye Height (mV) Truyền 1.57 V 778.4 -789.9 216.5 226.2 81.901 964.9 Nhận 1.25 V 628.1 -621.9 93.63 95.29 88.935 901.2 Truyền 1.57 V 779 -787.8 213.7 220.7 82.583 975.8 Nhận 1.25 V 629.5 -623.5 95 96.89 89.052 890.4 Truyền 1.40 V 682.1 -721.3 198.9 242.1 81.867 736.2 Nhận 1.20 V 611.6 -587.2 92.65 74.57 89.324 869.6 Truyền 1.38 V 700 -680.6 214.6 195.5 82.757 739.6 Nhận 1.21 V 597.9 -612.4 77.75 100.2 89.813 863 Truyền 1.46 V 724.1 -734 216.3 227.1 81.872 828.4 Nhận 1.24 V 621.8 -614.5 87.45 86.3 89.269 914.2 Truyền 1.45 V 720.8 -724.3 208.9 213.4 82.574 843.2 Nhận 1.23 V 615.7 -617.1 81.44 89.61 89.461 907 Đường Đường Đường 10G 13.5 Đường Đường 27 Đường IV KẾT LUẬN Khi thiết kế mạch in tốc độ cao, vấn đề nhiễu phải xem xét Nhiễu xuyên kênh loại nhiễu ảnh hưởng tới mạch in cần phải loại bỏ Khi khoảng cách đường truyền xa nhiễu xuyên kênh giảm thiểu Vì dây cho đường mạch tốc độ cao phải thực sau [1], [2], [3]: - Các linh kiện có kết nối tốc độ cao nên đặt gần để giảm thiểu khoảng cách đường truyền - Các đường truyền nằm hai lớp khác khơng có lớp mặt phẳng tham chiếu nên vng góc với để triệt tiêu nhiễu xuyên kênh, tránh trường hợp song song với dài - Đường truyền tốc độ cao phải bố trí ưu tiên đường mạch, nên dây đường truyền lớp bo mạch in để giảm thiểu đoạn dư thừa Phải tham chiếu đầy đủ lên lớp mặt phẳng để đảm bảo phối hợp trở kháng - Khơng đường dây mang tín hiệu tương tự băng qua vùng dây tín hiệu tốc độ cao chúng làm can nhiễu lên Các đường mạch tốc độ cao nên tránh xa nguồn nhiễu bo như: nguồn, tín hiệu RF, tín hiệu đồng bộ,… - Khoảng cách hai đường truyền lớp xa tốt, tối thiểu phải gấp ba lần khoảng cách đường truyền tới mặt phẳng tham chiếu gần ISBN: 978-604-67-0349-5 Thực tốt bước tín hiệu đường truyền đảm bảo tính tồn vẹn nó, nhiên vấn đề đặt phải tính tốn cho kích thước bo mạch in tối thiểu hóa 475 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) [5] TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] Altera Corporation, High-Speed Board Layout Guidelines, Application note 224, Ver.1.2, 2009 Altera Corporation, High-Speed Board Designs, Application note 75, Ver.4.0, 2001 Altera Corporation, Via Optimization Techniques for HighSpeed Chanel Designs, Application note 529, Ver.1, 2008 Douglas Brooks, Differential Trace Design Rules Truth vs Fiction, UltraCAD Design, 2002 [6] [7] [8] [9] ISBN: 978-604-67-0349-5 476 Howard W Johnson and Martin Graham, High-Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic, Prentice Hall, New Jersey, 1993 Kraig Mitzner, Complete PCB Design Using OrCad Capture and Layout, Newnes, USA, 2007 Mark Glenewinkel, System Design and Layout Techniques for Noise Reduction in MCU-Based Systems, Motorola Application note, 1995 Mentor Graphics, HyperLynx Signal Integrity Analysis, Mentor Graphics, USA, 2005 Stephen C Thierauf, High-Speed Circuit Board Signal Integrity, Artech House, London, 2004 ... đường dây mang tín hiệu tương tự băng qua vùng dây tín hiệu tốc độ cao chúng làm can nhiễu lên Các đường mạch tốc độ cao nên tránh xa nguồn nhiễu bo như: nguồn, tín hiệu RF, tín hiệu đồng bộ,…... mạch in tốc độ cao, vấn đề nhiễu phải xem xét Nhiễu xuyên kênh loại nhiễu ảnh hưởng tới mạch in cần phải loại bỏ Khi khoảng cách đường truyền xa nhiễu xuyên kênh giảm thiểu Vì dây cho đường mạch. .. kênh truyền biên độ nhiễu xuyên kênh giảm dần Cả hai đường mạch in mang tín hiệu Nhận xét: Trong trường hợp hai đường mang tín hiệu, nhiễu xuyên kênh tác động qua lại hai đường Điều làm cho tín