Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiễu điện từ lên chất lượng tín hiệu trong bo mạch và các phương pháp khử nhiễu

Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, tốc độ truyền dẫn tín hiệu ngày càng cao, đòi hòi các hệ thống mạch điện tử phải đáp ứng được độ ôn định và chất lượng của tín hiệu.Nhiễu điện từ có t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

DAI HOC DA NANG

BUI TAN LOC

NGHIEN CUU ANH HUONG CUA NHIEU DIEN TU

LEN CHAT LƯỢNG TÍN HIỆU TRONG BO MACH

VA CAC PHUONG PHAP KHU NHIEU

Chuyén nganh: KY THUAT DIEN TU

Ma so: 60.52.70

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Da Nang — Nam 2013

Công trình được hoàn thành tại

DAI HOC DA NANG

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS TẮNG TAN CHIEN

Phản biện 1: TS Trần Thị Hương

Phản biện 2: PGS.TS Lê Tiến Thường

Luận văn được bảo vệ trước Hội đông châm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào

ngày 02 tháng 6 năm 2013

Có thê tìm hiệu luận văn tại:

Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, tốc độ truyền dẫn tín hiệu ngày càng cao, đòi hòi các hệ thống mạch điện tử phải đáp ứng được độ ôn định và chất lượng của tín hiệu.Nhiễu điện từ có thể làm rối loạn, gián đoạn các đường truyền hoặc làm cản trở, suy hao các tín hiệu trong mạch, thậm chí là cả mất đữ liệu Các nguồn nhiễu điện từ này có thể do nhiều đối tượng gây ra như:do các phát xạ điện từ của các đường mạch In này lên đường mạch In khác hoặc từ bo mạch này lên bo mạch khác, do ảnh hưởng của nguồn, do cấu trúc của tấm lớp mạch in Tương thích điện từ có thể cố ý sử đụng để gây nhiễu vô tuyến lên các hệ thống thông tin liên lạc, quân sự, an ninh quốc phòng

Từ đó cho thấy, việc xử lý nhiễu trong các hệ thống điện tử

là vô cùng quan trọng.Trong qui trình sản xuất các hệ thống bo mạch

có tín hiệu tốc độ cao, có rất nhiều phương pháp chống nhiễu khác nhau chủ yếu là trong bước thiết kế sơ đồ mạch và thiết kế mạch in

Có những phương pháp đơn giản nhưng đem lại hiệu quả cao cho việc chống nhiễu Việc đưa các bước mô phỏng tín hiệu trên bo mạch

in vào quy trình thiết kế hệ thống đã làm cho các hệ thống sản xuất ra đạt được hiệu quả và độ tin cậy cao

Vì vậy việc nghiên cứu các tác nhân gây nhiễu nói chung và nhiễu điện từ nói riêng trong bo mạch, từ đó đưa ra các phương pháp chống nhiễu sẽ tạo ra các hệ thống bo mạch đáp ứng được các tiêu chuẩn, chất lượng cao, đảm bảo độ tin cậy và cho hiệu quả cao nhất

2 Mục đích nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu các vấn đề sau:

- Nghiên cứu các loại nhiễu điện từ tôn tại trong các bo mach

điện tử và ảnh hưởng của nó lên chất lượng tín hiệu trong mạch

- Đưa ra các phương pháp để giải quyết nhiễu điện từ trên bo mạch, nâng cao chất lượng tín hiệu trong các mạch 1n tốc độ cao

- Đề ra được một quy trình thiết kế hệ thống hoàn chỉnh từ khâu thiết kế đến mô phỏng

3 Đối tượng và phạm vỉ nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu trong phạm vi đồ án:

Các bo mạch sử dụng có tín hiệu tốc độ cao (high speed) như các Switch, Router, FPGA, Ram, CPU

Phạm vi nghiên cứu:

Nghiên cứu nhiễu điện từ tác động lên tín hiệu trong bo mạch:Nhiễu xuyên kênh, nhiễu nguồn, nhiễu do không phối hợp trở kháng, nhiễu chuyển mạch đồng thời, nhiễu do điểm kết nối

4 Phương pháp nghiên cứu

-Thu thập, phân tích các tài liệu và thông tin liên quan đến đề

tài

- Dựa vào lý thuyết đưa ra các phương pháp để giải quyết

nhiễu điện từ trên bo mạch

- Nghiên cứu, sử dụng phần mềm thiết kế sơ đồ mạch (Orcad), sơ đồ mạch in (Allegro) của hãng Cadence

- Nghiên cứu, sử dụng các phần mềm mô phỏng (Hyperlynx) của hãng Mentor Graphics Sử dụng phần mềm này đánh giá chất lượng tín hiệu trên mach trudc khi vé mach (prime layout simulation)va sau khi vé mach (post layout simulation), tir do kiém chứng lại các tiên đoán ở phân ly thuyết và rút ra kết luận

5 Bố cục đề tài

Ngoài phân mở đâu, kêt luận và tài liệu tham khảo, kêt câu

luận văn gồm 4 chương như sau:

Chương 1: TỔng quan về tương thích điện từ và cấu trúc của

bo mach in

Chương 2: Các loại nhiễu thường gặp trong hệ thống

Chương 3:Quy trình thiết kế mạch in tốc độ cao và các phương pháp chống nhiễu cho hệ thống

Chương 4: Mô phỏng đánh giá nhiễu trong hệ thống

1.1.4 Tương thích điện tir trong mach in

1.2 BAC TINH VA KIEN TRÚC CỦA MẠCH IN NHIÊU LỚP

1.2.1.Cầu trúc của tắm mach in (stackup)

1.2.2 Cầu trúc điểm kết nối tín hiệu (vias)

1.2.3 Cau tao đường mach in trén bo mach (trace)

1.3 TRO KHANG CUA DUONG MACH IN

1.3.1 Trở kháng của đường mạch in tại tần số thấp

1.3.2 Trở kháng vòng của đường mạch ỉn

1.3.3 Trở kháng của đường mạch in tại tần số cao - hiệu ứng

bề mặt

1.4 ĐIỆN DUNG CỦA DUONG MACH IN

1.4.1.Điện dung của hai lớp điện tích song song

1.4.2.Điện dung ghép của các đường mach in

1.5 ĐIỆN CẢM CỦA ĐƯỜNG MẠCH IN

1.5.1.Điện cảm của đường mạch inGiän đồ mắtgiữa hai lớp điện tích song song

1.5.2 Suất điện động cảm ứng

1.5.3 Ma trận điện cảm của đường mach in

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 Trong chương này đã giới thiệu tổng quan về nhiễu điện từ

và tầm quan trọng của nhiễu điện từ trong các bo mạch in tốc độ cao, giới thiệu một số thành phần quan trọng trong bo mạch và mô hình mạch của chúng khi làm việc ở tần số cao Nêu rõ về ba đặc tính của đường mạch 1n là trở kháng, điện dung và điện cảm

CHƯƠNG 2 CÁC LOẠI NHIÊU THƯỜNG GẶP TRONG HỆ THÓNG 2.1 NHIÊU DO PHÓI HỢP TRO KHANG

2.1.1 Đường truyền dẫn tín hiệu

2.1.2 Các loại đường truyền dẫn tín hiệu

a Đường truyền đơn (Single-ended signals)

b Đường truyền cặp (Differential-pair signals)

2.1.3 Đường hôi tiếp của tín hiệu

2.1.4 Phối hợp trở kháng của đường truyền

Trở kháng không đồng đều giữa trở kháng nguồn (Zs), trở kháng đường mạch (Zạ) và trở kháng tải (Z¡) gây ra nhiễu do phối hợp trở kháng Sự không phối hợp trở kháng này có nghĩa là tín hiệu

truyền đi không bị hấp thụ hoàn toàn tại nơi nhận và năng lượng dư thừa của tín hiệu bị phản xạ lại phía đầu phát.Quá trình này tiếp tục chạy qua chạy lại cho đến khi tất cả năng lượng được hấp thụ Ở việc truyền tốc độ đữ liệu cao, điều này có thể xảy ra hiện tượng quá áp, sụt áp, tạo dạng sóng bậc thang, Chúng chính là nguyên nhân của lỗi tín hiệu

2.2.NHIEU DO PHOI HOP TRO KHANG

2.2.1 Khai niém nhiễu xuyên kénh (crosstalk)

Các đường mạch 1n luôn có tính điện dung và điện cảm Sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa các đường mạch in kể nhau tạo ra một loại nhiễu — nhiễu xuyên kênh Nhiễu xuyên kênh phụ thuộc vào hai thông số: Sự ghép điện dung và ghép điện cảm giữa các đường dẫn kể nhau

a.Nhiễu xuyên kênh điện cảm

b.Nhiễu xuyên kênh ghép điện dung

2.2.2.Các loại nhiễu xuyên kênh

Xuyên kênhđầu gần (Near — end crosstalk) được định nghĩa

là một tín hiệu xuyên kênh trên đường bị nhiễu tại cuối đường gần nhất với nguôn phát

Xuyên kênh đầu xa (Far — end Crosstalk) được định nghĩa là tín hiệu xuyên kênh trên đường bị nhiễu tại cuối đường bị nhiễu xa với nguồn phát

a Nhiễu xuyên kênh đầu cuỗi

b Nhiễu xuyên kênhđẫu gân

c Nhiễu xuyên kénhdau xa

2.2.3.Tác động của nhiễu xuyên kênh lên tham số của đường truyền

Khi trong một hệ thống tập trung quá nhiều đường truyền

gần sát nhau, điện trường và từ trường sẽ tác động trở lại với các đường còn lại theo các hướng khác nhau phụ thuộc vào hình dạng tín hiệu của các đường tín hiệu trên hệ thống Hiện tượng này càng được khuếch đại khi có nhiều đường truyền đồng thời thay đổi trạng thái trong một mật độ lớn đến một đường còn lại

Mỗi dây dẫn sẽ có hai kiểu truyền khác nhau là:

+ Kiểu chẵn (cả hai dây dẫn sẽ cùng pha)

+ Kiểu lẻ(cả hai dây dẫn lệch pha 180?)

2.2.4 Phương pháp giảm nhiễu xuyên âm

2.3.NHIEU NGUON CUNG CAP

Nhiễu nguồn cung cấp cho bo mạch có thể do nhiều nguyên nhân Hai nguyên nhân cơ bản là đo nhiễu trong bán thân nguồn và

do sự phân bố điện áp trên bo mạch không hợp lý

2.3.1 Nhiễu nguồn và các phương pháp chống nhiễu nguồn

2.3.2 Phân bố điện áp

2.4 NHIEU CHUYEN MACH DONG THOI

2.4.1 Mô hình nhiễu chuyển mạch

Những linh kiện bên ngoài được điều khiến bởi thiết bị thông qua các đầu ra Các đầu ra này xuất hiện những điện dung ở tải Những điện này sẽ nạp một lượng điện tích Q=V.C Như vậy, khi số lượng đầu ra nhiều và dung kháng tải tăng thì sẽ tiêu tốn điện áp để nạp cho các tụ này

Môi trường của thiết bị và đường tham chiếu có những điện cảm nội tại như: từ DIE đến chân đóng gói, từ chân linh kiện đến PCB, từ linh kiện đến vị trí nguồn cung cấp

2.4.2 Phân tích chuyển mạch đầu ra

2.4.3.Giảm cảm kháng của đường dẫn

2.4.4 Những khuyến nghị để giảm nhiễu chuyển mạch 2.5 ANH HUONG CUA DIEM KET NOI DEN CHAT LUQNG TIN HIEU

Khi sử dụng mạch in nhiều lớp việc chuyển đổi các đường mạch từ lớp này qua lớp kiasử dụng các điểm kết nối (vias) là việc cần thiết Tuy vậy, những điểm kết nối này không những tạo ra trở kháng (impedance) không liên tục cho đường truyền tốc độ cao mà còn có các đoạn đường dẫn dư thừa(stub) dẫn đến ảnh hưởng không tốt lên chất lượng tín hiệu

2.5.1 Cặp điểm kết nối chuẩn

2.5.2 Mô hình điện của điểm kết nói:

a Mô hình PI (PI model) của điểm kết nỗi:

b Mô hình tằng (Cascaded Model) của điểm kết nổi: 2.5.3 Tối ưu hóa suy hao tín hiệu khi đi qua điểm kết nối: + Sử dụng vòng dẫn điện nhỏ hơn, và vòng cách điện lớn hơn

+ Giảm độ dài của điểm kết nối

+ Giảm đoạn dư thừa của điểm kết nối (dùng công nghệ

back-drill)

+ Sử dụng buried-via làm điểm kết nối

+ Sử dụng mô hình GSSG (GND-SIG-SIG-GND)

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 Trong chương này đã phân tích một số nhiễu thường gặp trong hệ thống như: nhiễu do phối hợp trở kháng, nhiễu nguồn, nhiễu xuyên kênh, nhiễu do chuyển mạch đồng thời và nhiễu do điểm kết nối Mỗi loại nhiễu đều đi sâu phân tích nguyên nhân xảy ra nhiễu, các mô hình toán và phương pháp làm giảm thiểu nhiễu trên bo mạch

CHƯƠNG 3 QUY TRÌNH THIET KE MACH IN TOC ĐỘ CAO VÀ

CAC PHUONG PHAP CHONG NHIEU CHO HE THONG

3.1 QUY TRINH THIET KE HE THONG TOC BO CAO

Để đảm bảo sự đáng tin cậy của các sản phẩm điện tử thì việc phân tích về sự toàn vẹn tín hiệu sẽ đóng một vai trò quan trọng

Vì vậy hiện nay để làm một bo mạch tốc độ cao với chất lượng tốt chúng ta cần 3 đội kỹ sư như sau:

+ Kỹ sư thiết kế hệ thống (Design Engineer )

+ Kỹ sư thiết kế mach in (Layout Engineer)

+ Kỹ sư kiểm tra tính toàn vẹn của tín hiệu (Signal Integrity Engineer)

3.2 THIET KE SO DO MACH

3.2.1 Quy trình thiết kế sơ đồ mạch cho hệ thống

+ Bước l: Yêu cầu của hệ thống

+ Bước 2: Xây đựng kiến trúc cho hệ thống:

+ Bước 3: Chọn linh kiện, tinh toan gia, tao thuvién

3.3.1 Quy trinh thiét ké so d6 mach in

Quy trình thiết kế một mạch in cơ bản đi qua các bước sau: + Bước l: Xây dựng thư viện chân linh kiên của bo

+ Bước 2: Đưa netlist vào phần mềm thiết kế bo

+ Bước 3: Vẽ đường viền của PCB, nhập vào số lớp và cách

bố trí các lớp SIG/GND/PWR của bo

+ Bước 4: Nhập vào các luật

+ Bước 5: Bồ trí linh kiện và nối các đường mạch xuống các

lớp dưới

+ Bước 6: Đi dây cho mạch

+ Bước 7: Chia nguồn cho mạch

+ Bước 8: Làm cho đường mạch bằng nhau

+ Bước 9: Sắp xếp nhãn cho các linh kiện, cho PCB

+ Bước 10: Kiểm tra

+ Bước 11: Xuất ra các phim của PCB

3.3.2 Xử lý nhiễu trong quá trình thiết kế mạch in

3.4 MO PHONG TIN HIEU

3.4.1 Thiết kế cầu trúc lớp mach in

3.4.2 Nguyên tắc mô phỏng tín hiệu trong thiết kế hệ thống

Mô phỏng tín hiệu là một bước không thể thiếu trong quy trình thiết kế hệ thống tốc độ cao.Thực hiện mô phỏng ngay cả lúc trước thiết kế mạch in (pre-layout) và sau khi thiết kế mạch in (post- layout)với các mục đích khác nhau nhưng mục tiêu thì vẫn giữ nguyên - đảm bảo cho hệ thống làm việc ôn định nhất

a Mô phỏng trước khi vẽ mạch In

b Mô phỏng sau khi vẽ mạch ỉn

3.4.3 Giới thiệu phần mềm mô phỏng Hyperlynx

Phần mềm mô phỏng Hyperlynx một trong những phần mềm

mô phỏng rất mạnh được phát triển bởi hãng Mentor Graphics một hãng lớn về thiết kế phần mềm cho thiết kế hệ thống.Phần mềm Hyperlynx gồm có 2 công cụ là LineSim và BoardSim

mô phỏng tín hiệu trước khi sản xuất bo thực tế làm cho bo mạch sản xuất ra đảm bảo được chất lượng tín hiệu Trong mỗi bước của quy trình các kỹ thuật và phương pháp chống nhiễu cho mạch in cũng được đưa vào.Những kỹ thuật và phương pháp này làm cho mạch 1n cơ bản đảm bảo được chất lượng tín hiệu, ôn định, hiệu quả với giá thành tốt nhất

CHƯƠNG 4

MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ NHIÊU TRONG HỆ THÓNG Trong chương này sử dụng phần mềm HyperLynx của hãng Mentor Graphic để mô phỏng đánh giá nhiễu của hệ thống qua 3 hiện tượng nhiễu phố biến sau

+ Ảnh hưởng của việc phối hợp trở kháng đường truyền đến chất lượng tín hiệu

+ Ảnh hưởng của lỗ kết nối đến chất lượng tín hiệu

+ Ảnh hưởng của nhiễu xuyên kênh đến chất lượng tín hiệu 4.1 PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG VÀ CÁCH THỨC ĐÁNH GIÁ

11

+ Số lớp của bo mạch

+ Vật liệu làm bo mạch và các hệ số suy hao của nó + Vị trí các lớp tín hiệu, lớp nguồn tham chiếu, lớp GND tham chiếu trên bo

Bước 3: Thiết kế sơ đồ mạch mô phỏng

+ Nhập các tham số của đường mạch 1n (độ rộng, độ dài, bề đày, khoảng cách với các đường mạch khác)

+ Các tham số của điểm kết nối

+ Mô hình của IC đầu phát

+ Mô hình của IC đầu thu

4.2 MO PHONG ANH HUONG CUA VIEC PHOI HOP TRO

KHANG DUONG TRUYEN DEN CHAT LUOQNG TIN HIEU 4.2.1 So dé mach mô phóng

&DC_€CLK

LTC2245

SY100EPT23

LTC2248 LTC2249

LTC2248

Hình 4.1.Sơ đồ mô phỏng phối hợp trở kháng của đường truyền + Mạch 1, mạch 2, mạch 3: Giống nhau về khoảng cách Chỉ