Стратегии проектирования перекрестных помех между двумя параллельными микрополосковыми линиями на печатной плате на основе анализа моделирования

Теория перекрестных помех

В соответствии с электромагнитной теорией перекрестные помехи относятся к электромагнитной развязке между двумя сигнальными линиями. Это тип шума, вызванный взаимной емкостью и взаимным сопротивлением между сигнальными линиями.

На рисунке 1 среди двух параллельных линий одна линия имеет источник сигнала (V_S ) и внутреннее сопротивление (Z_OG ) на одном конце линии и полное сопротивление нагрузки (Z_LG ) с другой, образуя замкнутый контур через землю. Другая линия имеет только сопротивление (Z_OR и Z_LR ) со структурой из одного провода на землю. На этом рисунке отведение с источником сигнала называется линией излучения или линией интерференции, а другая линия называется линией приема или линией интерференции.

Когда управляющий сигнал (1) проходит линию излучения, интерференционный сигнал будет генерироваться в противоположных направлениях в результате паразитной емкости между линией излучения и линией приема. Между тем, при прохождении линии излучения управляющий сигнал будет генерировать изменяющееся магнитное поле, которое индуцирует ток помех с направлением, противоположным направлению возбуждающего сигнала после пересечения приемной линии. Интерференционный ток (2) и (3) представляет собой сигнал перекрестных помех, развязанный от линии излучения к линии приема управляющим сигналом. Так создаются перекрестные помехи.

Перекрестные помехи можно разделить на емкостные перекрестные помехи и перекрестные помехи индуктивности в зависимости от различных причин. Емкостные перекрестные помехи относятся к развязанному напряжению, генерируемому взаимно развязанной емкостью, в то время как перекрестные помехи индуктивности относятся к развязанному току, генерируемому взаимной развязанной индуктивностью.

В зависимости от мест, где возникают перекрестные помехи, перекрестные помехи можно разделить на перекрестные помехи на ближнем конце и перекрестные помехи на дальнем конце. На рисунке 1 перекрестные помехи на ближнем конце представляют собой сигнал помех, генерируемый возбуждающим сигналом (1) на ближнем конце приемной линии, к которому добавляются емкостные перекрестные помехи (3) и перекрестные помехи индуктивности (2). Перекрёстные помехи на дальнем конце — это сигнал помех, генерируемый возбуждающим сигналом (1) на дальнем конце приёмной линии, с обратным сложением ёмкостных перекрестных помех (3) и индуктивных перекрестных помех (2).

Перекрёстные помехи генерируются между двумя выводами из-за электромагнитной развязки. Анализ перекрестных помех заключается в расчете напряжения помех от индуктивности управляющего сигнала к обеим сторонам приемной линии с предоставленным управляющим сигналом. V_R (0) устанавливается как напряжение помех на приемной линии, когда X равно 0, а V_R (L) — напряжение помех на приемной линии, когда X равно L. Тогда можно получить две формулы:

Имитационная модель анализа перекрестных помех между двумя параллельными микрополосковыми линиями

В этой статье печатная плата, используемая в имитационной модели, имеет размер 20x60 мм (ширина x длина) с эпоксидным многослойным стекловолокном FR-4 в качестве материала подложки с диэлектрической проницаемостью 4,7. На рис. 2 показан вид в разрезе имитационной модели.

На рис. 2 верхний слой представляет собой плоскость разводки (плоскость микрополосковой линии), а нижний слой — плоскость изображения. Микрополосковая линия является идеальным проводником, а плоскость изображения — идеальной проводящей плоскостью. Параметры двух параллельных микрополосковых линий могут быть установлены как:L=40 мм, W=0,5 мм, H=0,3 мм. По формуле волнового сопротивления микрополосковой линии ( ), волновое сопротивление микрополосковой линии составляет 50 Ом.

Примечание:0,38 мм<Ш<0,64 мм; T относится к толщине микрополосковой линии.

На рисунке 3 первый порт (P1) линии излучения является портом источника помех. Каждый порт линии передачи и линии приема соединен характеристическим импедансом (50 Ом), поэтому сигнал перекрестных помех будет поглощаться, когда он достигнет ближнего и дальнего конца линии приема, и он не вернется, чтобы повлиять на перекрестные помехи. В результате две микрополосковые линии образуют 4-портовую сеть, параметры которой S13 и S14 можно рассчитать соответственно:, .

TR₀ относится к перекрестным помехам линии излучения на ближнем конце линии приема, в то время как TR_L относится к перекрестным помехам линии излучения на дальнем конце линии приема.

Результаты моделирования и обсуждение

• Интенсивность перекрестных помех при изменении частоты

Обычные сигналы являются результатом добавления синусоид с разными частотами и диапазонами, поэтому имеет смысл изучить, как перекрестные помехи двух микрополосковых линий меняются с частотой одной синусоидальной волны.

Чтобы лучше отразить правила, на рисунке 4 показано расстояние проводки (D) со значениями 1 мм и 3 мм, на котором показано, как перекрестные помехи меняются с частотой.

Можно сделать вывод, что в диапазоне низких частот интенсивность перекрестных помех имеет линейную зависимость от частоты сигнала, независимо от перекрестных помех на дальнем или ближнем конце. В диапазоне высоких частот перекрестные помехи на ближнем конце (S₁₃ ) показывает сильную периодическую вибрацию с увеличением частоты, в то время как перекрестные помехи на дальнем конце ведут себя наоборот. В основном это зависит от различных расстояний между емкостными перекрестными помехами и ближним/дальним концом, между перекрестными помехами индуктивности и ближним/дальним концом. В диапазоне низких частот фазы этих двух типов перекрестных помех и портов в основном одинаковы, и относительные фазы интегрированного сигнала мало влияют на протяженность. Однако в диапазоне высоких частот, при разных частотах, фазы имеют большие перепады от этих двух типов сигнала перекрестных помех и портов, когда степень этих двух типов помех интегрированного сигнала будет периодически изменяться с изменением фазы, что приводит к очевидно периодическое колебание протяженности по частоте.

• Интенсивность перекрестных помех при изменении расстояния проводки

При расстоянии проводки (L) 40 мм, толщине подложки (H) 0,3 мм и частоте сигнала 2 ГГц и 5 ГГц результат моделирования интенсивности перекрестных помех при изменении расстояния проводки показан на рис. 5.

На этом рисунке перекрестные помехи как на ближнем, так и на дальнем конце уменьшаются по мере увеличения расстояния проводки. Когда расстояние проводки начинает увеличиваться с 1 мм, перекрестные помехи быстро уменьшаются, но с увеличением расстояния уменьшение перекрестных помех становится медленным. Очевидно, что когда расстояние превышает ширину в три раза, перекрестные помехи между линиями не могут быть улучшены за счет увеличения расстояния между линиями. Это связано с тем, что, когда две микрополосковые линии располагаются слишком близко друг к другу, взаимная емкость и индуктивность становятся настолько заметными, что существенно возрастают перекрестные помехи.

• Интенсивность перекрестных помех при изменении длины проводки

При расстоянии проводки (D) 2,0 мм, толщине подложки (H) 0,3 мм и частоте сигнала 1 ГГц и 5 ГГц смоделированный результат интенсивности перекрестных помех при изменении длины показан на рис. 6.

Согласно рис. 6, когда частота сигнала составляет 1 ГГц, интенсивность перекрестных помех как на ближнем, так и на дальнем конце увеличивается с увеличением длины параллельного соединения. Когда частота сигнала достигает 5 ГГц, интенсивность перекрестных помех на ближнем конце увеличивается с увеличением длины параллельного соединения, а интенсивность перекрестных помех на дальнем конце увеличивается с увеличением длины параллельного соединения. Это связано с тем, что электрическая длина проводки больше на частоте 5 ГГц, чем на частоте 1 ГГц, а фазы емкостных и индуктивных перекрестных помех на дальнем конце существенно различаются.

• Интенсивность перекрестных помех при изменении расстояния между микрополосковой линией и плоскостью изображения

Для поддержания волнового сопротивления микрополосковой линии на уровне 50 Ом значение W/H должно поддерживаться равным 1,82. Таким образом, в имитационном модели отношение между шириной линии и высотой плоскости изображения также поддерживается равным 1,82.

а. При длине проводки (L) 40 мм, расстоянии между двумя линиями и их краями 1,0 мм и частоте сигнала 2 ГГц и 5 ГГц интенсивность перекрестных помех при изменении толщины плоскости изображения показана на рис. 7.

Согласно рисунку 7, интенсивность перекрестных помех увеличивается с увеличением расстояния, особенно когда расстояние находится в диапазоне от 0 до 0,4 мм, интенсивность перекрестных помех возрастает очень быстро, а скорость имеет тенденцию к замедлению с постоянным увеличением высоты. . Когда H больше 0,5 мм, интенсивность перекрестных помех в основном остается неизменной. Это связано с тем, что, когда микрополосковая линия находится слишком близко к плоскости изображения, развязка между проводкой и плоскостью изображения становится настолько интегрированной, в то время как развязка между проводкой очень мала. Когда расстояние между микрополосковой линией и плоскостью изображения увеличивается, развязка между проводкой и плоскостью изображения становится слабой, а развязка между проводкой возрастает. Однако с увеличением расстояния между микрополосковой линией и плоскостью изображения развязка между проводкой и плоскостью изображения становится настолько слабой, что мало влияет на развязку между проводкой. Основываясь на приведенном выше анализе, расстояние между линией передачи и плоскостью изображения должно быть максимально уменьшено, чтобы лучше уменьшить перекрестные помехи.

б. При длине проводки (L) 40 мм, расстоянии между линиями в два раза больше ширины линии и частоте сигнала 2 ГГц и 5 ГГц интенсивность перекрестных помех при изменении толщины плоскости изображения показана на рис. 8.

Согласно рис. 8, интенсивность перекрестных помех мало меняется при увеличении расстояния между двумя линиями, кратного ширине линии.

На основании сравнения двух обстоятельств можно сделать вывод, что с увеличением расстояния между микрополосковой линией и плоскостью изображения, если расстояние между линиями остается неизменным, интенсивность перекрестных помех будет увеличиваться, а если расстояние стабильно кратно ширины линии, интенсивность перекрестных помех практически не меняется.

Стратегии проектирования печатных плат

В соответствии с приведенным выше результатом анализа ниже показаны некоторые стратегии для уменьшения перекрестных помех между линиями передачи:
a. Для высокоскоростных цифровых печатных плат компоненты, у которых скорость переднего и заднего фронтов тактового сигнала относительно медленная, должны быть подобраны так, чтобы можно было уменьшить частоту сигнала.
b. Следует избегать параллельной компоновки на большом расстоянии.
c. Расстояние между двумя линиями должно быть увеличено.
d. Следует использовать многослойную конструкцию печатной платы, чтобы можно было уменьшить высоту между линией передачи и плоскостью изображения. Если необходимо использовать печатные платы с более высокой плоскостью изображения, расстояние между линиями передачи следует увеличить.

Полезные ресурсы
• 3 метода трассировки на печатной плате Проектирование высокоскоростной сигнальной цепи
• Методы трассировки высокоскоростной печатной платы для уменьшения влияния электромагнитных помех
• Метод подавления отражения сигнала в высокоскоростной печатной плате Компоновка
• Непонимание и стратегии проектирования высокоскоростных печатных плат
• 7 распространенных проблем высокочастотного и высокоскоростного многослойного изготовления печатных плат и их решения
• Полнофункциональная услуга по изготовлению печатных плат от PCBCart - Множество дополнительных опций
• Усовершенствованная услуга сборки печатных плат от PCBCart — от 1 штуки