Chương 8: Giao thao điện từ (EMI)
8.3. Ảnh hưởng tín hiệu
Giả sử theo như hình 8-4. Một dòng điện biến thiên i1 đang chạy trong đường mạch 1. Dòng điện biến thiên tạo ra một từ trường biến thiên xung quanh đường 1. Từ trường biến thiên này gây ảnh hưởng lên đường 2 với một hệ số ảnh hưởng là k. Ảnh hưởng này tạo ra một dòng điện trên đường 2 với giá trị k*i1, hướng của nó tuân theo luật Lenz là ngược với i1. Đây cũng chính là cách mà các máy biến thế hoạt động, và là cơ sở nền tảng cho việc thiết kế máy biến thế.
Hình 8-4: Các đường mạch có thể gây ảnh hưởng tới nhau
Hệ số ảnh hưởng có giá trị nằm trong khoảng từ 0 tới 1. Giá trị không có nghĩa là không có ảnh hưởng gì, điều này có thể xẩy ra khi mà các đường rất xa nhau, hoặc dòng điện không biến thiên (dòng điện một chiều). Khi hệ số ảnh hưởng bằng 1 có nghĩa là ảnh hưởng hoàn toàn, điều này không bao giờ xẩy ra. Với giá trị ảnh hưởng k, sẽ phụ thuộc vào tốc độ biến thiên dòng điện, hay thời gian tăng (di/dt), và khoảng cách giữa hai đường. Tốc độ biến thiên càng lớn và khoảng cách giữa các đường càng nhỏ thì hệ số ảnh hưởng càng lớn. Trên thực tế giá trị k trong mạch in nơi mà các đường mạch có khoảng cách khá gần nhau có giá trị trong khoảng từ 0.4 tới 0.6.
Giả định một trường hợp đặc biệt i1 là một tín hiệu và i2 là tín hiệu phản hồi. Bởi vậy i2 = -i1. Tín hiêu bị ảnh hưởng, k*i1 sẽ làm tăng cường cho tín hiệu phản hồi. Còn tín hiệu phản hồi, i2, cũng ảnh hưởng lên đường 1, làm tăng cường tín hiệu gốc, i1. Bởi vậy, ảnh hưởng lẫn nhau của tín hiệu và phản hồi của nó làm cho chúng tăng cường lẫn nhau. Chúng ta có thể nói về điều này theo hai cách: (a) có thể giảm điện áp để giữ cường độ dòng điện như ban đầu, bởi vì dòng điện có sự tăng cường lẫn nhau; hoặc (b) dòng điện sẽ tăng lên với cùng một mức điện áp, do dòng điện tăng cường lẫn nhau do ảnh hưởng các đường lên nhau. Theo định luật Ohm, V=iZ. Thì không kể phát biểu theo cách nào thì có thể thấy rằng điện áp sẽ giảm khi có ảnh hưởng giữa các đường. Nói rõ hơn, điện áp sẽ giảm khi mà ảnh hưởng các đường tăng, hay k tăng. Và khi khoảng cách giữa các đường tăng hay tốc độ biến thiên dòng điện tăng thì k sẽ tăng.
Hình 8-5 mô tả một trường hợp đơn giản là một đường microtrip xếp trên một tấm phẳng. Giả sử có một dòng điện chạy trên đường mạch và dòng phản hồi nằm trên tấm phẳng đó. Một câu hỏi đặt ra là “dòng phản hồi ở đâu?” Giả sử như dòng phản hồi nằm ở điểm a. Theo như những gì đã nói ở trước thì sẽ có ảnh hưởng lẫn nhau giữa tín hiệu và dòng phản hồi, dẫn tới sự tăng cường lẫn nhau. Bây giờ giả sử dòng phản hồi nằm ở điểm b, ảnh hưởng sẽ lớn hơn, bởi vì tín hiệu và dòng phản hồi ở gần nhau hơn. Khi ảnh hưởng lớn hơn, điện kháng toàn phần sẽ nhỏ hơn. Bởi vậy, điểm b có điện kháng đường dẫn nhỏ hơn điểm a. Điểm c là điểm gần đường tín hiêu nhất nên nếu đường phản hồi nằm ở c thì ảnh hưởng của tín hiệu và dòng phản hồi là lớn nhất, khi đó điện kháng là nhỏ nhất.
Hình 8-5: Mặt nhìn cắt ngang của một đường mạch và tấm phẳng nằm dưới. Một dòng điện phản hồi sẽ “muốn” chạy theo đường có trở kháng ít nhất, đường (c)
Đây là lí do tại sao mà tín hiệu tốc độ cao muốn dòng phản hồi nằm ngay dưới ở nơi gần nhất đường tín hiệu đó: Đó là đường mà điện trở toàn phần nhỏ nhất. Cũng cần nhớ rằng hệ số tỷ lệ phụ thuộc và di/dt hay thời gian tăng. Với với tín hiệu một chiều (không có thời gian tăng) thì không có ảnh hưởng giữa tín hiêu với dòng phản hồi và dòng phản hồi có thể nằm ở bất cứ nơi nào. Trên thực tế thì nó sẽ chạy theo đường mà điện trở nhỏ nhất trong bảng mạch.