BÀI VIẾT
Giảm crosstalk trong thiết kế PCB High-Speed
22
Mar
Mar
Các phép đo tính toàn vẹn của tín hiệu đã trở thành một bước quan trọng trong quá trình phát triển các hệ thống kỹ thuật số. Các vấn đề về tính toàn vẹn của tín hiệu như nhiễu xuyên âm, suy giảm tín hiệu, ground bounce, v.v., tăng lên ở các tần số cao hơn, nơi các hiệu ứng đường truyền cũng rất quan trọng.
EMI tăng lên khi tốc độ biên nhanh hơn tạo ra bước sóng ngắn hơn so với chiều dài bus, tạo ra phát xạ bức xạ ngoài ý muốn. Những phát xạ này làm tăng nhiễu xuyên âm và có thể khiến thiết kế PCB tốc độ cao bị lỗi trong quá trình thử nghiệm EMI/EMC.
Chúng tôi sẽ đề cập đến các khía cạnh sau trong suốt quá trình của bài viết:
Xuyên âm trong PCB là gì?
Nhiễu xuyên âm gây ra trong trace PCB
Nhiễu xuyên âm là nhiễu gây ra bởi sự ghép nối năng lượng từ trace PCB này sang trace PCB khác ngay cả khi chúng không tiếp xúc. Nó xảy ra do sự tương tác của điện (ghép điện dung) và từ trường (ghép nối cảm ứng). Từ trường tạo ra điện cảm lẫn nhau, và điện trường tạo ra điện dung lẫn nhau giữa các trace trong vùng lân cận. Cảm kháng lẫn nhau có nhiệm vụ tạo ra dòng điện trên đường dây bên cạnh (victim), nó ngược lại với dòng điện trong đường dây gây ra. Và tụ điện được hình thành do điện dung lẫn nhau sẽ cho dòng điện theo cả hai chiều trên đường dây victim.
Khớp nối điện và từ trường
Nhiễu xuyên âm phát sinh khi hai trace chạy cạnh nhau trong cùng một lớp hoặc một trace nằm trên đỉnh của trace kia trong các lớp liền kề. Coi hai trace chạy cùng chiều. Nếu tín hiệu đi qua một trace có biên độ cao hơn trace khác, nó có thể ảnh hưởng đến tín hiệu đi qua trace kia. Ở đây, trace có biên độ cao hơn sẽ được gọi là “tác nhân” và trace khác được gọi là “victim – nạn nhân”.
Trong trường hợp như vậy, tín hiệu trong trace victim sẽ bắt đầu bắt chước trở kháng đặc trưng của trace tác nhân thay vì dẫn tín hiệu của chính nó. Khi điều này xảy ra, nó có nghĩa là nhiễu xuyên âm đã phát xạ vào hệ thống.
Làm thế nào để nhiễu xuyên âm gây ra nhiễu trong một hệ thống?
Mọi tín hiệu điện đều có trường điện từ EM khác nhau. Bất cứ khi nào các trường này chồng lên nhau, chúng tạo ra ghép nối cảm ứng, điện dung hoặc dẫn điện dẫn đến EMI. 
Nhiễu xuyên âm gây ra do điện dung và điện cảm lẫn nhau
Nhiễu xuyên âm near-end và far-end
Các dòng điện gây ra ở các đầu gần và xa của đường dây victim tạo ra nhiễu near-end và far-end.
Inear = ICm + ILm và Ifar = ICm – ILm
Nhiễu xuyên âm near-end luôn dương vì dòng do Cm và Lm luôn là số lẻ và chảy vào nút. Trong PCB, nhiễu xuyên âm far-end nói chung là âm vì dòng điện do Lm lớn hơn dòng điện do Cm.
Lưu ý: Nhiễu xuyên âm phụ thuộc vào thiết bị đầu cuối của đường dây victim.
Các loại nhiễu xuyên âm khác nhau là gì?
Dựa trên việc đi trace và vị trí của nhiễu trên đường phát xạ và victim, nhiễu xuyên âm có thể được phân loại là:
1. Nhiễu xuyên âm điện dung: Phát sinh do các trace chạy chồng lên nhau hoặc gần nhau sinh ra hiệu ứng điện dung.
2. Nhiễu xuyên âm điện cảm: Nó tạo ra do tương tác từ trường giữa các trace chạy song song trên một khoảng cách dài.
Xuyên âm cảm ứng có hai loại: forward và backward. Forward là nhiễu được quan sát thấy ở đầu xa nhất từ nguồn phát (Driver) trên đường được điều khiển, trong khi nhiễu xuyên âm backward là nhiễu được quan sát thấy ở đầu gần nhất trên đường victim.
Mô tả nhiễu xuyên âm chuyển tiếp và lùi trên đường dây victim và tác nhân.
2.1 Near-end crosstalk (NEXT): Nó được đo ở đầu phát của đường truyền hoặc cáp.
2.2 Far-end crosstalk (FEXT): Nó được đo ở đầu thu của đường truyền hoặc cáp.
NEXT và FEXT được đo đối với Port mà kích thích được áp dụng. Nó có thể xảy ra ở bất cứ đâu dọc theo một đường dây, cho dù đó là dây dẫn theo cặp hay dây đơn.
Phép đo NEXT và FEXT khác biệt
Lưu ý: Giá trị NEXT được biểu thị bằng decibel (dB) và thay đổi theo tần số truyền. DB NEXT cao hơn có nghĩa là ít nhiễu hơn.
3. 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 cấp tổng số nhiễu xuyên âm từ tất cả các cặp liền kề và liên quan đến việc đo lường tất cả các nhóm từng cặp liên quan đến công suất.
4. Độ xuyên âm far-end mức độ ngang bằng (ELFEXT): Là phép đo FEXT liên quan đến bù suy hao.
5. Alien crosstalk: Nó cho phép đo nhiễu xuyên âm trong PCB cho các hệ thống viễn thông.
Các loại được đề cập ở trên là các cách đo lường hoặc định lượng nhiễu xuyên âm trong một hệ thống.
Nhiễu xuyên âm cũng có thể được đo bằng TDR. Để biết thêm chi tiết, hãy đọc bài đăng của chúng tôi về cách hoạt động của phép đo trở kháng TDR.
Đo nhiễu xuyên âm như thế nào?
Crosstalk thường được chỉ định dưới dạng tỷ lệ phần trăm của tín hiệu xuất hiện trên đường dây victim, so với đường dây phát xạ. Nó cũng có thể được biểu thị bằng dB thấp hơn mức dòng điều khiển. NEXT thay đổi theo tần số truyền vì tần số cao hơn sẽ tạo ra nhiều nhiễu hơn. Giá trị dB càng cao thì liên kết / kênh bị nhiễu càng ít nhận được nhiễu xuyên âm. FEXT được tính toán từ các phần tử xuyên âm của thông số S hệ thống.
Công thức cho nhiễu xuyên âm được đưa ra bởi:
Ở đây:
K = Một hằng số có giá trị luôn luôn nhỏ hơn 1 và phụ thuộc vào thời gian tăng của mạch và độ dài của các trace trải qua nhiễu xuyên âm.
H 2 = Nó là tích của chiều cao của các trace song song.
D 2 = Nó là tích của khoảng cách trực tiếp giữa đường tâm của các trace.
Phương trình trên cho thấy rõ ràng rằng nhiễu xuyên âm có thể được giảm thiểu bằng cách giảm H và tối đa hóa D.
Nhiễu xuyên âm tính bằng dB được đưa ra bởi:
Trong đó, V victim là điện áp trên đường dây victim và V aggressor là điện áp trên đường dây phát xạ.
Các yếu tố ảnh hưởng đến độ lớn của nhiễu xuyên âm
- Mức độ kết hợp giữa đường tác nhân và victim
- Khoảng cách mà khớp nối xảy ra
- Hiệu quả của loại termination (trở termination) được sử dụng
Làm thế nào là cảm ứng xuyên âm trong một cặp Different Pair?
Nhiễu xuyên âm trong một cặp vi sai xảy ra do dòng điện chế độ chung Common.
Bất cứ khi nào có sự mất cân bằng trong một hệ thống Different Pair, các trường không còn bị triệt tiêu hoàn toàn, điều này làm cho chúng bức xạ theo tỷ lệ với sự mất cân bằng. Tương tự, các trường bên ngoài có thể tạo ra dòng điện trong một cặp Different Pair không bằng nhau về biên độ và ngược pha, do đó chúng không còn triệt tiêu. Dòng điện kết quả được gọi là dòng điện chế độ chung. Chế độ xuyên âm thông thường có nhiều tác động tiêu cực đến hiệu suất của hệ thống hơn so với chế độ vi sai.
So sánh giữa các hiệu ứng nhiễu xuyên âm ở chế độ chung và chế độ khác biệt liên quan đến tần số.
Nguyên nhân gây ra nhiễu xuyên âm là gì?
- Ghép điện dung và cảm ứng: Ghép điện dung là do điện dung ký sinh và ghép cảm ứng xảy ra do hiện tượng tự cảm lẫn nhau.
- Sự khác biệt về vận tốc lan truyền: Có thể tránh được bằng cách đối sánh độ dài trace và đối sánh độ trễ lan truyền.
- PCB vias: Via PCB có sự chuyển tiếp giữa các lớp và stub (phần dẫn điện thừa) tạo ra sự phản xạ, do đó có hiện tượng ringing tạo ra nhiễu xuyên âm. Một cách để tránh điều này là khoan ngược- back drill lại via để giảm stub của via.
- Tăng data rate: Với việc tăng data rate, thời gian rise time cũng tăng theo. Theo định luật Faraday, với sự gia tăng rise time, nhiễu xuyên âm cũng sẽ tăng lên. Một cách để giảm nhiễu xuyên âm giữa các tín hiệu như vậy là tăng khoảng cách giữa các trace.
- Kích thước bo mạch: Khi kích thước bo mạch tăng lên, chiều dài trace cũng tăng và những trace này hoạt động như ăng-ten. Vì vậy, điều quan trọng là phải giữ độ dài trace càng tối thiểu càng tốt.
Nó được giảm thiểu như thế nào?
- Sử dụng các đường truyền tách biệt: Nhiễu xuyên âm được gây ra bởi trace phát xạ trên trace victim, vì vậy rõ ràng là điện áp phát xạ cao hơn sẽ gây ra nhiều nhiễu xuyên âm hơn. Vì vậy, cách tốt nhất là tách các nhóm lưới theo biên độ tín hiệu của chúng. Phương pháp này ngăn các điện áp lớn hơn (3.3V) ảnh hưởng đến các điện áp nhỏ hơn (1.5V).
- Thực hiện khoan ngược via – back drill: Via qua các đoạn ngắn làm giảm tính toàn vẹn của tín hiệu, do đó làm tăng nhiễu xuyên âm. Điều này có thể được giảm bớt bằng cách thực hiện khoan ngược.
- Giảm việc đi dây trace song song với độ dài lớn: Việc đi trace dài hơn (hơn 500mils) làm tăng độ tự cảm lẫn nhau do đó gây nhiễu xuyên âm.
- Duy trì sự tách biệt thích hợp giữa các trace: Là khoảng cách thích hợp giữa các trace (áp dụng quy tắc 3W – 3 lần độ rộng trace). Nếu sự phân tách thích hợp không được duy trì, thì nó sẽ làm tăng điện dung lẫn nhau (Cm). Quy tắc 3W giảm nhiễu xuyên âm 70%. Để giảm 98% nhiễu xuyên âm, hãy sử dụng 10W.
- Sử dụng trace bảo vệ: Trace bảo vệ được sử dụng để kiểm soát nhiễu xuyên âm điện dung giữa các đường truyền. Các trace như vậy nên được sử dụng một cách khôn ngoan vì chúng gây khó khăn cho việc đi dây.
- Áp dụng đi dây trực giao theo các lớp: Đi dây các lớp tín hiệu liền kề một cách trực giao (vuông góc) để giảm thiểu sự ghép nối điện dung giữa chúng.
- Chọn đi dây cặp vi sai Different pair: Đi dây vi sai được kết hợp chặt chẽ loại bỏ nhiễu xuyên âm vì nhiễu từ bộ phát xạ được ghép đều vào cả hai nhánh của cặp vi sai, tạo ra nhiễu chế độ chung. Các cặp vi sai loại bỏ nhiễu chế độ chung giúp giảm nhiễu xuyên âm.
- Chấm dứt truyền dẫn chế độ “chẵn” và “lẻ” đúng cách – Terminate even and odd mode transmission properly: Một mạng ba điện trở (T termination) có thể được sử dụng để terminate chế độ chẵn và lẻ.
T termination đối với chế độ truyền chẵn và lẻ.
- Đảm bảo rằng nhiễu xuyên âm của hệ thống tổng thể không vượt quá 150mV.
Xuyên âm ảnh hưởng như thế nào đến các thông số đường truyền?
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 điện dung 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:
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 đều, 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).
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 hoặc gói. Nếu không được kiểm soát đúng cách, nó có thể biến bảng của bạn thành không hoạt động. Mặc dù các nhà thiết kế PCB đảm bảo sự tách biệt tối thiểu giữa các trace, nhưng nó có thể không đủ cho các vấn đề liên quan.
Tham khảo: https://www.protoexpress.com/blog/crosstalk-high-speed-pcb-design/
