Chương 11: Đường vi sai và trở khángvi sa
11.2.3. Luật thiết kế
Như đã trình bầy ở trên EMI có liên quan tới vùng lặp. Bởi vậy, nếu chúng ta muốn kiểm soát được EMI, chúng ta cần tối thiểu hoá vùng lặp. Và cách chúng ta làm là đưa ra luật thiết kế 2: Định tuyến các đường mạch vi sai ở gần nhau. Một số người nghi ngờ luật này, và khẳng định luật này không cần thiết nếu thời gian tăng chậm và EMI không đáng lo. Tuy nhiên, ở môi trường tốc độ cao, chúng ta càng để các đường mạch gần nhau thì vùng lặp của chúng và vùng lặp của dòng điên cảm ở dưới các đường mạch sẽ càng nhỏ, do vậy chúng ta có thể kiểm soát EMI tốt hơn. Rất quan trọng khi biết rằng một số kĩ sư yêu cầu các nhà thiết kế bỏ đi tấm phẳng nằm dưới các đường vi sai. Làm giảm hay loại bỏ các vong lặp dòng điện cảm dưới các đường mạch bởi một sô lí do. Một số lí do là để ngăn chặn nhiễu nằm trên các tấm phẳng khỏi ảnh hưởng lên các mức tín hiệu thấp trên chính các đường mạch (Nhưng thực ra chưa có một nghiên cứu nào bác bỏ hay ủng hộ giả thiết này)
Có một số lí do khác để định tuyến các đường mạch vi sai gần nhau. Các thiết bị thu được thiết kế để nhậy với sự sai khác giữa các cặp đầu ra, nhưng cũng để không nhậy với sự thay đổi common mode ở các đầu vào. Điều này có nghĩa là nếu đầu vào (+) chỉ thay đổi một lượng rất nhỏ so với đầu vào (-), thì thiết bị nhận sẽ phát hiện ra. Nếu như đầu vào (+) và (-) thay đổi cùng nhau (theo một số hướng), thì các thiết bị thu không nhậy với sự thay đổi này. Bởi vậy nếu như bất cứ nhiễu ngoài nào (EMI hoặc nhiễu xuyên âm) có ảnh hưởng như nhau lên các đường vi sai, các thiết bị thu sẽ không nhậy với nhiễu này (ảnh hưởng chế độ comon). Các đường mạch vi sai được định tuyến càng gần nhau hơn, thì bất cứ nhiễu ảnh hưởng nào sẽ càng bằng nhau ở trên mỗi đường. Bởi vậy, khả năng loại bỏ nhiễu trên mạch sẽ càng tốt.
Hệ quả luật 2
Giả sử trong môi trường tần số cao, nếu như các đường mạch vi sai được định tuyến gần nhau (để tối thiểu hoá vùng lặp của chính nó và vùng lặp của các dòng điện cảm ở ngay dưới chúng), rồi các đường mạch sẽ ảnh hưởng lên nhau. Nếu như các
đường mạch không đủ dài thì tải vào sẽ trở thành một vấn đề, ảnh hưởng này tác động đến việc tính toán chính xác trở kháng tải vào. Dưới đây là câu trả lời tại sao: Hình 11-4a là một đường mạch chuẩn độc lập. Nó có một trơ kháng đặc tính Zo, và dòng điện tải i. Và điện áp ở mọi điểm là V=iZo .
Hình 11-4: Các tín hiệu trên các đường vi sai ảnh hưởng lẫn nhau, giống như là ảnh hưởng của nhiễu xuyên âm giữa các đường mạch.
Hình 11-4b là một cặp đường mạch. Đường mạch 1 có trở kháng đặc tính Z11, cái tương ứng với Zo, và dòng điện i1. Đường mạch 2 được định nghĩa tương tự. Khi chúng ta để đường mạch 2 ở gần đường mạch 1, dòng điện từ đường 2 bắt đầu ảnh hưởng lên dòng đường mạch 1 với một hằng số tỷ lệ k. Tương tự, dòng điện của đường mạch 1, i1 bắt đầu ảnh hưởng lên đường mạch 2 với cùng hằng số tỷ lệ. Điện áp trên mỗi đường, tại mọi điểm theo định luật Ohm sẽ có công thức như công thức 11-1:
Bây giờ đặt Z12=k×Z11 và Z21 = k x Z22. Phương trình 11-1 có thể được viết lại bằng phương trình 11-1:
Cong thức 11-2:
Các công thức có thể được suy rộng với số lượng bất kì các đường mạch, và chúng có thể được biểu diễn dưới dạng ma trận.
Hình 11-4c mô tả các cặp đường dây vi sai. Viết lại công thức 11-1:
Công thức 11-3:
Bây giờ chú ý rằng giả sử ta thiết kế sao cho
Dẫn đến công thức 11-3
Chú ý rằng V1 = - V2, bởi vì đây là cặp vi sai
Điện áp, V1 được suy ra đối với đất. Trở kháng hiêu dụng của đường mạch 1 (khi đứng một mình đây được gọi là trở kháng chế độ lẻ (odd-mode impedance) của một đường đường mạch đơn của một cặp vi sai) là điện áp bị chia bởi dòng điện, như công thức 11-4:
Công thức 11-4:
Vì như trên Zo=Z11 và k=Z12/Z11, nên có thể viết lại như công thức 11-5:
Công thức 11-5:
Tải kết thúc phù hợp của đường dây này, để ngăn chặn sự phản xạ, là một điện trở cái có giá trị của Zodd được nối giữa đường mạch và đất. Tương tự như vậy, trở kháng chế độ lẻ (odd mode impedence) của đường 2 được chỉnh tương tự (trong trường hợp đặc biệt này của một cặp vi sai cân bằng).
11.2.4. Luật thiết kế 3
Hệ quả của luật thiết kế 2 là cặp vi sai của các đường mạch ảnh hưởng lẫn nhau. Ảnh hưởng này tác động việc yêu cầu tải kết thúc phù hợp nếu chúng ta muốn ngăn
sự phản xạ xẩy ra ở cuối đường dây. Hệ quả là có sự khác nhau nhỏ phụ thuộc vào chúng ta đang xem xét trở kháng kết thúc ở chế độ vi sai (còn gọi là chế độ odd) hay chế độ common (còn gọi là chế độ chẵn).
Trở kháng chế độ vi sai
Giả sử chúng ta kết thúc mỗi đường mạch của cặp vi sai với một điên trở nối đất. Vì i1= -i2, không có dòng điện nào chạy qua đất. Bởi vậy, không có lý do gì để nối các điên trở với đất. Thực tế là một số người đã lý luận rằng bạn không phải nối chúng với đất để cô lập cặp tín hiệu vi sai khỏi nhiễu ở đất. Kiểu kết nối thông thường là như hình 11-4c, một điện trở đơn nối từ đường 1 tới đường 2. Giá trị của điện trở này sẽ là tổng của trở kháng chế độ lẻ (add-mode impedence) cho đường 1 và đường 2, hoặc như đã đưa ra bởi công thức 11-6:
Công thức 11-6:
Điều này giải thích tại sao ta thường nhận thấy một cặp đường mạch vi sai có thể có một trở kháng vi sai vào khoảng 80Ωvới mỗi đường
Chú ý rằng đây là một hệ quả quan trọng: Khi các đường mạch trở nên gần nhau hơn, ảnh hưởng của chúng tăng lên. Bởi vì ảnh hưởng tăng lên, Z12 trở nên lớn, nó có quan hệ trực tiếp với hệ số quan hệ k. Khi Z12 tăng lên thì trở kháng vi sai sẽ nhỏ hơn, thậm chí cả trở kháng đơn cực (Zo) cũng thay đổi. Bởi vậy, hai đường mạch ảnh hưởng càng gần nhau, thì trở kháng vi sai càng nhỏ. Điều này dẫn tới luật thiết kế 3: Việc tính toán trở kháng vi sai là cần thiết với các tín hiệu và đường mạch vi sai.
Trở kháng chế độ common
Chỉ làm hoàn thiện thêm vấn đề, trở kháng chế độ common chỉ khác một chút so với chế độ vi sai. Sự khác nhau thứ nhất là i1=i2 (không có dấu trừ). Bởi vậy công thức 11-3 trở thành 11-7:
Công thức 11-7:
và V1=V2. Trở kháng đường dây riêng lẻ sẽ là Zo(1+k). Trong một trưòng hợp chế đọ common, cả các điện trở kết thúc đường dây được nối với đất, bởi vậy dòng điện chạy xuống đất là i1+i2 và hai điện trở xuất hiện, hoặc được đưa ra bởi công thức 11-7:
Bởi vậy, trở kháng chế độ common được ước lượng bằng một phần tư của trở kháng chế độ vi sai cho các cặp đường.
11.2.5. Luật thiết kế 4
Trở kháng vi sai thay đổi theo ảnh hưởng, cái thay đổi theo khoảng cách giữa các đường mạch. Sẽ là luôn quan trọng khi trở kháng đường dây là hằng số theo toàn bộ chiều dài, điều này có nghĩa là ảnh hưởng phải giữ được sự không đổi theo toàn bộ chiều dài. Điều này dẫn tới luật thứ tư của chúng ta: Khoảng cách giữa các đường mạch (hoặc cặp vi sai) cần phải giữ ổn định trên toàn bộ chiều dài.