Crosstalk Định nghĩa và khắc phục

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (350.78 KB, 13 trang )

TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU
CROSSTALK

Tài liệu nghiên cứu – Crosstalk

MỤC LỤC
1. Tổng quan…………………………………………………………………………………………………………………………………..4
1.1. Mục đích………………………………………………………………………………………………………………………………4
1.2. Phạm vi áp dụng……………………………………………………………………………………………………………………4
1.3. Định nghĩa và viết tắt…………………………………………………………………………………………………………….4
1.4. Tham chiếu…………………………………………………………………………………………………………………………..4
2. Tổng quan…………………………………………………………………………………………………………………………………..5
2.1. Định nghĩa……………………………………………………………………………………………………………………………5
2.2. Nguyên nhân…………………………………………………………………………………………………………………………5
2.3. Phân loại………………………………………………………………………………………………………………………………8
3. Cơng thức tính tốn crosstalk……………………………………………………………………………………………………..12
4. Biện pháp hạn chế crosstalk……………………………………………………………………………………………………….13
5. Kết luận……………………………………………………………………………………………………………………………………14
6. Hồ sơ……………………………………………………………………………………………………………………………………….14
7. Hiệu lực thi hành……………………………………………………………………………………………………………………….14

Crosstalk in PCB design

Trang 2 / 13

Tài liệu nghiên cứu – Crosstalk

1. Tổng quan
1.1.

Mục đích

1.2.

Phạm vi áp dụng

Mobile Tech.
1.3.

Định nghĩa và viết tắt

1.4.

Tham chiếu

Các tài liệu tham chiếu tới trong văn bản này

Crosstalk in PCB design

Trang 3 / 13

Tài liệu nghiên cứu – Crosstalk

2. Tổng quan
2.1.

Định nghĩa

Trong hệ thống điện tử, luôn tồn tại nhiễu. Ảnh hưởng của chúng làm cho hệ thống hoạt động không
như mong muốn hoặc không đảm bảo các giới hạn quy định của FCC.
Ta xét một ví dụ: Khi 2 dây dẫn đi gần nhau trên PCB.

Trong hình vẽ trên, đường màu xanh lá cây và màu tím là điện áp của dây đi song song với dây dẫn có
dịng điện chạy qua. Điện áp được sinh ra bởi crosstalk trên đường dây lớn hơn 500 mV. Điều này có
thể gây ra overshoot q lớn cho tín hiệu.
Crosstalk là gì?
Crosstalk là sự ảnh hưởng điện từ trường của các thành phần đặt gần nhau trên PCB. Crosstalk có thể
được truyền qua sự bức xạ từ trường hoặc ghép nối điện trường giữ các tín hiệu.
Crosstalk là một trong số những loại nhiễu mà người thiết kế cần phải chú ý để giảm thiểu ảnh hưởng
đến các thành phần xung quanh trên mạch PCB.

2.2.

Nguyên nhân

Thành phần tụ điện và điện cảm ký sinh trên đường dây

Trên mỗi đường dây luôn tồn tại các thành phần tụ điện và điện cảm ký sinh. Khi tốc độ của
tín hiệu tăng lên ảnh hưởng của các thành phần này đến SI của tín hiệu càng lớn.
Xét trường hợp hai trace được đi gần nhau trong mạch PCB. Gọi trace có dịng điện chảy qua
là aggressor. Trace chịu ảnh hưởng của nhiễu do driven net gây ra là victim.

Crosstalk in PCB design

Trang 4 / 13

Tài liệu nghiên cứu – Crosstalk

Khi trạng thái logic của tín hiệu trên aggressor chuyển từ Logic 0 lên 1 thì tồn tại dịng điện
chảy qua nó. Electron trên aggressor di chuyển đến điểm X, nó sẽ đẩy electron trên victim tại
điểm đó. Các electron trên victim sẽ di chuyển ra xa điểm X theo 2 chiều ngược nhau. Hiện
tượng này sinh ra do tồn tại tụ điện ký sinh giữa 2 trace.
Đồng thời, dòng điện chảy trên aggressor tạo ra từ trường bao quan trace đó. Vùng từ trường
này sẽ tạo ra dòng điện cảm ứng trên victim. Dòng điện cảm ứng có chiều ngược với chiều
dịng điện trên aggressor. Hiện tượng này sinh ra do tồn tại điện cảm ký sinh giữa 2 trace.
Nhận xét:


Dòng điện do thành phần tụ điện ký sinh gây ra trên victim sẽ chảy theo 2 chiều khác
nhau.



Dòng điện do thành phần điện cảm ký sinh trên victim di chuyển ngược chiều với
chiều dòng điện trên aggressor.

Inear = ICm + ILm

Ifar = ICm – ILm

The current return path

Với hệ thống tín hiệu tốc độ cao, dòng điện khứ hồi (current return) gây ra điện từ trường hay
tương tác điện từ với các tín hiệu mà nó đi qua.
Ví dụ: Khi dịng điện khứ hồi của tín hiệu số đi cắt ngang qua vùng của tín hiệu tương tự, sẽ
gây nhiễu lên các tín hiệu tương tự.
Dòng điện khứ hồi chảy theo các đường dẫn khác nhau phụ thuộc vào tần số của chúng. Do

ảnh hưởng của hiệu ứng mặt ngoài, dịng điện có tần số cao (>10MHz) tập chung chủ yếu bên
ngoài dây dẫn. Điều này làm thay đổi sự phấn bố điện tích trên trace, plane và thay đổi trở
kháng của dây dẫn. Với tín hiệu tần số cao > 10MHz thì dịng khứ hồi đi ngay phía dưới tín
hiệu. Trong khi tín hiệu tần số thấp, dịng khứ hồi đi theo đường ngắn nhất (đồng nghĩa với
trở kháng là nhỏ nhất).

Crosstalk in PCB design

Trang 5 / 13

Tài liệu nghiên cứu – Crosstalk

Sự phát xạ của tín hiệu tần số cao.

Với tín hiệu tần số cao, năng lương bức xạ của tín hiệu ra bên ngoài càng lớn phụ thuộc vào
tần số hoạt động. Khi đó trace mang tín hiệu tần số cao sẽ hoạt động như một chiếc antena.
Bước sóng của tín hiệu:

Trong đó: C là vận tốc ánh sáng C = 3 x 108 m/s
f là tần số tín hiệu (Hz)
Tùy thuộc vào rise time và fall time của tín hiệu mà năng lượng bức xạ của nhiễu bậc 3 hay
bậc 5 có thể gây nhiễu đến các thành phần xung quanh.

Crosstalk in PCB design

Trang 6 / 13

Tài liệu nghiên cứu – Crosstalk

Dự theo biểu đồ trên, biên độ của sóng hài bậc cao sẽ suy giảm theo tần số. Biên độ của sóng
hài sẽ suy giảm với tốc 20 dB/decade ở điểm cực f1 và sau đó suy giảm với tốc độ
40dB/decade từ điểm cực f2.
Trong đó f1, f2 được xác định như sau:

2.3.

Phân loại

Crosstalk được phân chia thành hai loại: Forward crosstalk và Backward crosstalk.
Forward crosstalk
Forward crosstalk là nhiễu phía cuối đường dây victim. Đây là sự xếp chồng crosstalk do 2 thành
phần tụ điện và điện cảm ký sinh gây ra.
a. Forward Crosstalk do tụ điện ký sinh
Dòng điện chạy trên aggressor tạo ra sự thay đổi điện trường xung quanh dây dẫn. Victim nằm
trong vùng điện trường thay đổi của aggressor sẽ xuất hiện nhiễu trên đó. Nhiễu có điện áp cùng
chiều với điện áp trên aggressor. Cụ thể: Khi tín hiệu trên aggressor là sườn lên thì xuất hiện tín
hiệu xung dương trên victim. Nhiễu trên victim di chuyển về phía cuối đường dây có tốc độ bằng
với tín hiệu trên aggressor.
Khi tín hiệu trên aggressor di chuyển từ phía Driver IC đến receiver IC, nó tạo ra các xung nhiễu
trên victim. Những xung nhiễu này di chuyển dọc theo victim về phía cuối đường dây. Do đó,
nhiễu ở phía cuối victim là sự cộng tổng của nhiều xung nhiễu.

Crosstalk in PCB design

Trang 7 / 13

Tài liệu nghiên cứu – Crosstalk

Do hiện tượng crosstalk sinh ra khi tín hiệu trên aggressor có sự thay đổi, độ rộng của xung nhiễu
trên victim bằng với khoảng thời gian truyển trạng thái của tín hiệu trên aggressor (rise time hoặc
fall time).
Biên độ của xung nhiễu có xu hướng tăng lên khi chiều dài của đường dây tương tác điện từ
(coupling) tăng lên hay khi slew rate của tín hiệu trên aggressor tăng.
Ví dụ: Xét hiện tượng crosstalk khi thay đổi slewrate của Driver IC trên aggressor:
Driver IC là CMOS3.3V MEDIUM

Driver IC là CMOS3.3V ULTRA-FAST

Crosstalk in PCB design

Trang 8 / 13

Tài liệu nghiên cứu – Crosstalk

Biên độ của xung nhiễu trên victim do thành phần tụ ký sinh gây ra có xu hướng tăng lên nhưng
vẫn bị giới hạn do tín hiệu trên aggressor suy hao năng lượng sang victim và sự tác động ngược
trở lại của victim sang aggressor.
Forward crosstalk do điện cảm ký sinh
Tượng tự như trên, dòng điện trên aggressor sẽ tạo ra thay đổi từ trường xung quanh dây đó. Điều
này tạo ra xung nhiễu trên victim. Độ rộng của xung nhiễu bằng thời gian chuyển trạng thái của
tín hiệu trên aggressor. Độ lớn của xung nhiễu tỉ lệ với độ dài của đường dây coupling hay
slewrate của tín hiệu trên aggressor.
Điểm khác biệt nằm ở chỗ, crosstalk gây ra bởi thành phần điện cảm ký sinh ngược cức tính so
với crosstalk do tụ điện ký sinh gây ra. Do đó, forwark crosstalk do hai thành phần sinh ra có xu
hướng khử nhau. Trong thực tế, forward crosstalk của tín hiệu thường rất nhỏ.

Backward crosstalk
Về bản chất, backward crosstalk trên victim cũng được sinh ra tương tự như forward crosstalk. Sự
thay đổi điện từ trường xung quanh dây aggressor tạo ra xung nhiễu do tụ điện và điện cảm ký sinh
gây ra.
Crosstalk in PCB design

Trang 9 / 13

Tài liệu nghiên cứu – Crosstalk

Nhưng có sự khác nhau giữa hai loại Backwark crosstalk và forward crosstalk.


Độ rộng của xung nhiễu backward crosstalk:

Xung nhiễu backward xuất hiện ngay khi trên dây aggressor có tín hiệu. Khi tín hiệu trên
aggressor di chuyển đến cuối đường dây, nó vẫn tạo ra xung nhiễu backward trên victim.
Do đó, độ rộng của xung nhiễu backward crosstalk gấp hai lần so với thời gian trễ lan truyền
của tín hiệu trên dây aggressor.


Xung nhiễu backward do tụ điện và điện cảm ký sinh có cùng cực tính. Biện độ của xung
nhiễu backward bằng tổng xung nhiễu của hai thành phần

Crosstalk in PCB design

Trang 10 / 13

Tài liệu nghiên cứu – Crosstalk

3. Cơng thức tính tốn crosstalk
Mật độ dòng điện khứ hồi

Khi 2 trace được rout gần nhau:

Crosstalk được tính tốn theo cơng thức:

Trong đó: D: khoảng cách giữa các trace.
H: độ cao của trace so với GND plane.
K: Hằng số coupling (K Ví dụ: Xét 2 tín hiệu có vùng coupling: độ rộng trace 6mil, khoảng cách giữa 2 trace 8 mil,
khoảng cách trace đến Ground là 10 mil. Độ dài của vùng coupling: 6 inch.
Crosstalk in PCB design

Trang 11 / 13

Tài liệu nghiên cứu – Crosstalk

Kết quả mô phỏng trên Osiloscope

Crosstalk giữa 2 trace đạt giá trị max (theo công thức): 640 mV.
Theo kết quả mô phỏng: Crosstalk max : 560 mV.

4. Biện pháp hạn chế crosstalk
Điều quan trọng nhất đối với người thiết kế là cần phải đảm bảo crosstalk luôn nằm trong giới
hạn an toàn. Để hạn chế crosstalk, người thiết kế cần đảm bảo một số điều sau:
–

Tránh đi tín hiệu số cắt ngang qua vùng của tín hiệu tương tư. Điều này có thể gây nhiễu lên
các tín hiệu tương tự nhạy cảm như: tín hiệu audio, antena…

–

Cần xác định ngưỡng crosstalk cho mỗi đường tín hiệu để từ đó xác định được khoảng cách
tối thiểu giữa hai tín hiệu trong cùng một bus. Thơng thường khoảng cách này bằng độ rộng
của trace.

Crosstalk in PCB design

Trang 12 / 13

Tài liệu nghiên cứu – Crosstalk
–

Việc giảm khoảng cách giữa lớp plane với lớp tín hiệu cũng sẽ góp phần giảm đáng kể
crossstalk. Tuy nhiên cần phải tính tốn cụ thể do ảnh hưởng đến độ rộng của trace và độ dày
của stackup.

–

Đảm bảo độ dài đi dây là nhỏ nhất có thể thực hiện được để giảm Couple Region
Thêm các Guard Trace nếu có thể thực hiện được.
Crosstalk suy giảm khi slewrate của tín hiệu giảm đi. Có thể sử dụng kỹ thuật termination
trong Transmission Line để giảm slewrate của tín hiệu.

5. Kết luận

Mơ phỏng crosstalk là bước làm khơng thể thiếu trong thiết kế PCB. Có 2 loại mô phỏng
crosstalk cần thực hiện khi thiết kế:
Pre-layout: Việc mô phỏng crosstalk trong giai đoạn này nhằm xác định được khoảng cách giữa
các trace trong bus, độ dày của lớp tín hiệu và lớp plane.
Post-layout: Sau khi thiết kế, mơ phỏng crosstalk sẽ giúp phát hiện trace chịu crosstalk vượt quá
quy định trong thiết kế.

Crosstalk in PCB design

Trang 13 / 13

Mục đích1. 2. Phạm vi áp dụngMobile Tech. 1.3. Định nghĩa và viết tắt1. 4. Tham chiếuCác tài liệu tham chiếu tới trong văn bản nàyCrosstalk in PCB designTrang 3 / 13T ài liệu nghiên cứu và điều tra – Crosstalk2. Tổng quan2. 1. Định nghĩaTrong mạng lưới hệ thống điện tử, luôn sống sót nhiễu. Ảnh hưởng của chúng làm cho mạng lưới hệ thống hoạt động giải trí khôngnhư mong ước hoặc không bảo vệ những số lượng giới hạn pháp luật của FCC.Ta xét một ví dụ : Khi 2 dây dẫn đi gần nhau trên PCB.Trong hình vẽ trên, đường màu xanh lá cây và màu tím là điện áp của dây đi song song với dây dẫn códịng điện chạy qua. Điện áp được sinh ra bởi crosstalk trên đường dây lớn hơn 500 mV. Điều này cóthể gây ra overshoot q lớn cho tín hiệu. Crosstalk là gì ? Crosstalk là sự tác động ảnh hưởng điện từ trường của những thành phần đặt gần nhau trên PCB. Crosstalk có thểđược truyền qua sự bức xạ từ trường hoặc ghép nối điện trường giữ những tín hiệu. Crosstalk là một trong số những loại nhiễu mà người phong cách thiết kế cần phải quan tâm để giảm thiểu ảnh hưởngđến những thành phần xung quanh trên mạch PCB. 2.2. Nguyên nhânThành phần tụ điện và điện cảm ký sinh trên đường dâyTrên mỗi đường dây luôn sống sót những thành phần tụ điện và điện cảm ký sinh. Khi vận tốc củatín hiệu tăng lên tác động ảnh hưởng của những thành phần này đến SI của tín hiệu càng lớn. Xét trường hợp hai trace được đi gần nhau trong mạch PCB. Gọi trace có dịng điện chảy qualà aggressor. Trace chịu ảnh hưởng tác động của nhiễu do driven net gây ra là victim. Crosstalk in PCB designTrang 4 / 13T ài liệu điều tra và nghiên cứu – CrosstalkKhi trạng thái logic của tín hiệu trên aggressor chuyển từ Logic 0 lên 1 thì sống sót dịng điệnchảy qua nó. Electron trên aggressor vận động và di chuyển đến điểm X, nó sẽ đẩy electron trên victim tạiđiểm đó. Các electron trên victim sẽ vận động và di chuyển ra xa điểm X theo 2 chiều ngược nhau. Hiệntượng này sinh ra do sống sót tụ điện ký sinh giữa 2 trace. Đồng thời, dòng điện chảy trên aggressor tạo ra từ trường bao quan trace đó. Vùng từ trườngnày sẽ tạo ra dòng điện cảm ứng trên victim. Dòng điện cảm ứng có chiều ngược với chiềudịng điện trên aggressor. Hiện tượng này sinh ra do sống sót điện cảm ký sinh giữa 2 trace. Nhận xét : Dòng điện do thành phần tụ điện ký sinh gây ra trên victim sẽ chảy theo 2 chiều khácnhau. Dòng điện do thành phần điện cảm ký sinh trên victim chuyển dời ngược chiều vớichiều dòng điện trên aggressor. Inear = ICm + ILmIfar = ICm – ILmThe current return pathVới mạng lưới hệ thống tín hiệu vận tốc cao, dòng điện khứ hồi ( current return ) gây ra điện từ trường haytương tác điện từ với những tín hiệu mà nó đi qua. Ví dụ : Khi dịng điện khứ hồi của tín hiệu số đi cắt ngang qua vùng của tín hiệu tựa như, sẽgây nhiễu lên những tín hiệu tựa như. Dòng điện khứ hồi chảy theo những đường dẫn khác nhau nhờ vào vào tần số của chúng. Doảnh hưởng của hiệu ứng mặt ngoài, dịng điện có tần số cao ( > 10MH z ) tập chung đa phần bênngoài dây dẫn. Điều này làm biến hóa sự phấn bố điện tích trên trace, plane và biến hóa trởkháng của dây dẫn. Với tín hiệu tần số cao > 10MH z thì dịng khứ hồi đi ngay phía dưới tínhiệu. Trong khi tín hiệu tần số thấp, dịng khứ hồi đi theo đường ngắn nhất ( đồng nghĩa tương quan vớitrở kháng là nhỏ nhất ). Crosstalk in PCB designTrang 5 / 13T ài liệu điều tra và nghiên cứu – CrosstalkSự phát xạ của tín hiệu tần số cao. Với tín hiệu tần số cao, năng lương bức xạ của tín hiệu ra bên ngoài càng lớn phụ thuộc vào vàotần số hoạt động giải trí. Khi đó trace mang tín hiệu tần số cao sẽ hoạt động giải trí như một chiếc antena. Bước sóng của tín hiệu : Trong đó : C là tốc độ ánh sáng C = 3 x 108 m / sf là tần số tín hiệu ( Hz ) Tùy thuộc vào rise time và fall time của tín hiệu mà nguồn năng lượng bức xạ của nhiễu bậc 3 haybậc 5 hoàn toàn có thể gây nhiễu đến những thành phần xung quanh. Crosstalk in PCB designTrang 6 / 13T ài liệu nghiên cứu và điều tra – CrosstalkDự theo biểu đồ trên, biên độ của sóng hài bậc cao sẽ suy giảm theo tần số. Biên độ của sónghài sẽ suy giảm với tốc 20 dB / decade ở điểm cực f1 và sau đó suy giảm với tốc độ40dB / decade từ điểm cực f2. Trong đó f1, f2 được xác lập như sau : 2.3. Phân loạiCrosstalk được phân loại thành hai loại : Forward crosstalk và Backward crosstalk. Forward crosstalkForward crosstalk là nhiễu phía cuối đường dây victim. Đây là sự xếp chồng crosstalk do 2 thànhphần tụ điện và điện cảm ký sinh gây ra. a. Forward Crosstalk do tụ điện ký sinhDòng điện chạy trên aggressor tạo ra sự đổi khác điện trường xung quanh dây dẫn. Victim nằmtrong vùng điện trường đổi khác của aggressor sẽ Open nhiễu trên đó. Nhiễu có điện áp cùngchiều với điện áp trên aggressor. Cụ thể : Khi tín hiệu trên aggressor là sườn lên thì Open tínhiệu xung dương trên victim. Nhiễu trên victim vận động và di chuyển về phía cuối đường dây có vận tốc bằngvới tín hiệu trên aggressor. Khi tín hiệu trên aggressor chuyển dời từ phía Driver IC đến receiver IC, nó tạo ra những xung nhiễutrên victim. Những xung nhiễu này chuyển dời dọc theo victim về phía cuối đường dây. Do đó, nhiễu ở phía cuối victim là sự cộng tổng của nhiều xung nhiễu. Crosstalk in PCB designTrang 7 / 13T ài liệu nghiên cứu và điều tra – CrosstalkDo hiện tượng kỳ lạ crosstalk sinh ra khi tín hiệu trên aggressor có sự biến hóa, độ rộng của xung nhiễutrên victim bằng với khoảng chừng thời hạn truyển trạng thái của tín hiệu trên aggressor ( rise time hoặcfall time ). Biên độ của xung nhiễu có xu thế tăng lên khi chiều dài của đường dây tương tác điện từ ( coupling ) tăng lên hay khi slew rate của tín hiệu trên aggressor tăng. Ví dụ : Xét hiện tượng kỳ lạ crosstalk khi biến hóa slewrate của Driver IC trên aggressor : Driver IC là CMOS3. 3V MEDIUMDriver IC là CMOS3. 3V ULTRA-FASTCrosstalk in PCB designTrang 8 / 13T ài liệu điều tra và nghiên cứu – CrosstalkBiên độ của xung nhiễu trên victim do thành phần tụ ký sinh gây ra có khuynh hướng tăng lên nhưngvẫn bị số lượng giới hạn do tín hiệu trên aggressor suy hao nguồn năng lượng sang victim và sự ảnh hưởng tác động ngượctrở lại của victim sang aggressor. Forward crosstalk do điện cảm ký sinhTượng tự như trên, dòng điện trên aggressor sẽ tạo ra đổi khác từ trường xung quanh dây đó. Điềunày tạo ra xung nhiễu trên victim. Độ rộng của xung nhiễu bằng thời hạn chuyển trạng thái củatín hiệu trên aggressor. Độ lớn của xung nhiễu tỉ lệ với độ dài của đường dây coupling hayslewrate của tín hiệu trên aggressor. Điểm độc lạ nằm ở chỗ, crosstalk gây ra bởi thành phần điện cảm ký sinh ngược cức tính sovới crosstalk do tụ điện ký sinh gây ra. Do đó, forwark crosstalk do hai thành phần sinh ra có xuhướng khử nhau. Trong thực tiễn, forward crosstalk của tín hiệu thường rất nhỏ. Backward crosstalkVề thực chất, backward crosstalk trên victim cũng được sinh ra tương tự như như forward crosstalk. Sựthay đổi điện từ trường xung quanh dây aggressor tạo ra xung nhiễu do tụ điện và điện cảm ký sinhgây ra. Crosstalk in PCB designTrang 9 / 13T ài liệu điều tra và nghiên cứu – CrosstalkNhưng có sự khác nhau giữa hai loại Backwark crosstalk và forward crosstalk. Độ rộng của xung nhiễu backward crosstalk : Xung nhiễu backward Open ngay khi trên dây aggressor có tín hiệu. Khi tín hiệu trênaggressor chuyển dời đến cuối đường dây, nó vẫn tạo ra xung nhiễu backward trên victim. Do đó, độ rộng của xung nhiễu backward crosstalk gấp hai lần so với thời hạn trễ lan truyềncủa tín hiệu trên dây aggressor. Xung nhiễu backward do tụ điện và điện cảm ký sinh có cùng cực tính. Biện độ của xungnhiễu backward bằng tổng xung nhiễu của hai thành phầnCrosstalk in PCB designTrang 10 / 13T ài liệu điều tra và nghiên cứu – Crosstalk3. Cơng thức tính tốn crosstalkMật độ dòng điện khứ hồiKhi 2 trace được rout gần nhau : Crosstalk được tính tốn theo cơng thức : Trong đó : D : khoảng cách giữa những trace. H : độ cao của trace so với GND plane. K : Hằng số coupling ( K

Exit mobile version