Bài giảng Nhiễu và tương thích trường điện từ

àn tín hiệu I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn I.3. Một số mô hình đường dây truyền dẫn  Xét đường dây truyền dẫn mang thông tin 12 Từ trường của dây dẫn Điện trường của dây dẫn Mô hình xác định L của dây truyền tin Mô hình xác định C của dây truyền tin  Mô hình truyền dẫn 2 dây 3I-HUST 2012 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn I.3. Một số mô hình đường dây truyền dẫn 13 Mô hình xác định L của dây truyền tin Mô hình xác định C của dây truyền tin                w w s s L [ H/m] r r 0 ln 0,4 ln               w w C [pF/m] s s r r 0 27,78 ln ln   w w w r r r 1 2  Mô hình truyền dẫn 2 dây 3I-HUST 2012 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn I.3. Một số mô hình đường dây truyền dẫn 14 Phương pháp soi ảnh xác định C trong mô hình truyền dẫn 1 dây so đất         w w C [F/m] h>>r h r 0 2 2 ln  Mô hình truyền dẫn 1 dây so đất  Xét đường dây truyền dẫn kích thước rw  Khoảng cách đất và dây: h          w w h L [H/m] h>>r r 0 2ln 2        Tm A 12 0 7 0 8,854.10 4 .10 / Trong chân không (không khí) 3I-HUST 2012 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn I.3. Một số mô hình đường dây truyền dẫn 15                r s s w w C [pF/m] r r r r 55,562 ln ln  Mô hình truyền dẫn cáp đồng trục                 s s w w r r L [ H/m] r r 0 ln 0,2 ln 2 Mô hình xác định L của cáp đồng trục Sự phân bố đối xứng của vector cường độ điện trường E trong cáp đồng trục 3I-HUST 2012 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn I.3. Một số mô hình đường dây truyền dẫn 16 Ví dụ 3.1: Tính thông số của đường dây truyền dẫn có cấu trúc theo mô hình truyền dẫn 2 dây biết kích thước dây rw = 7,5mil, khoảng cách 2 dây là 50mil.             w s L =0.759 H/m r 50 0,4 ln 0,4 ln 7,5            w C =14,64pF/m s r 27,78 27,78 50 lnln 7,5  Áp dụng công thức tính thông số của đường dây theo mô hình truyền dẫn 2 dây, ta có: 3I-HUST 2012 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn I.3. Một số mô hình đường dây truyền dẫn 17 Ví dụ 3.2: Tính thông số của đường dây truyền dẫn có cấu trúc theo mô hình truyền dẫn 1 dây so đất biết kích thước dây rw = 16 mil, khoảng cách dây với đất h = 1cm.  Áp dụng công thức tính thông số của đường dây theo mô hình truyền dẫn 1 dây so đất, ta có:                w C pF m h r 12 0 2 2 .8,854.10 14,27 / 2.393,72 lnln 16                  w h L ln H m r 7 0 2 4 .10 2.1ln 0,779 / 2 2 0.04064 mils mm1 0,0254 3I-HUST 2012 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn I.3. Một số mô hình đường dây truyền dẫn 18 Ví dụ 3.3: Tính thông số của đường cáp đồng trục RG58U biết bán kính lõi cáp 16mils, bán kính vỏ cáp 58 mils, chất điện môi giữa cáp và vỏ có hệ số điện môi ɛr = 2,3. Tính vận tốc truyền tín hiệu trong cáp.               r s w C pF m r r 55,56 55,56.2,3 99.22 / 58 lnln 16               s w r L H m r 58 0,2 ln 0,2 ln 0,258 / 16  Áp dụng công thức tính thông số của đường dây theo mô hình truyền dẫn cáp đồng trục, ta có:     v m s LC 8 6 12 1 1 1,976.10 / 0,258.10 .99,22.10 3I-HUST 2012 II. Đường truyền trên mạch in  Các thông số cơ bản của đường dây dài  Tổng trở sóng:  Vận tốc truyền sóng: C L Z [ ] C   C C Z L v L C vZ           r v v LC 0 ' 1  Xét mô hình đường truyền trên mạch in:  Mạch in nhiều lớp, phủ đất C er Z w s 30 1 0,441     e w w s sw s w w w s s s 2 0,35 0,35 0,35              19 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu 3I-HUST 2012 II. Đường truyền trên mạch in          C er Z w s 30 1 30 1 63,84 0,24 0,4414,70,441 20 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu Ví dụ 3.4: Tính thông số của mạch in nhiều lớp biết khoảng cách giữa 2 lớp phủ đất s = 20mils, độ rộng đi dây mạch in w = 5mils, hệ số điện môi của chất nền mạch in εr = 4,7.  Áp dụng công thức tính thông số của mạch in nhiều lớp, ta có:          e w w w s s s 2 0,35 0,24    C rC ZZ L H m v v 0 0.461 /     C C L L Z C pF m C Z 2 113,2 / 3I-HUST 2012 II. Đường truyền trên mạch in  Tín hiệu + đất phủ trên 2 mặt đối diện           C r h t Z w t w 87 5,89 ln 0,1 0.8 81,41 21                           r C r h w w w h h Z w w w h h h ' 1 ' 60 8 ln 1 4 120 1,393 0,667 ln 1,444 1         r r r h w ' 1 1 1 2 2 1 10 / Trong đó: Công thức gần đúng:            r r r h w h w ' 1 2 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu 3I-HUST 2012 II. Đường truyền trên mạch in 22 Do Ví dụ 3.5: Tính thông số của mạch in có cấu trúc như hình vẽ, biết độ dày phôi h = 50mils, độ rộng đi dây w = 5mils, hệ số điện môi của chất nền mạch in εr = 4,7.  Áp dụng công thức tính thông số mạch in, ta có:          r r r h w ' 1 1 1 3,034 2 2 1 10 /    w h 5 0,1 1 50           C r h w Z w h' 60 8 ln 150,956 4      C rC ZZ L H m v v ' 8 0 . 150,956. 3,034 0,877 / 3.10    C L C pF m Z 2 38,49 / Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu 3I-HUST 2012 II. Đường truyền trên mạch in  Mạch in đi dây một mặt                          r C r k k k Z k k k ' ' 120 1 1 ln 2 1 1 2 377 1 0 21 ' ln 2 1 ' 23     s k k k s w 2; ' 1 2 Trong đó:                             r r r h kw k k w h ' 1 tanh 0,775ln 1,75 0,04 0,7 0,01 1 0,1 0,25 2 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu 3I-HUST 2012 II. Đường truyền trên mạch in 24 Ví dụ 3.6: Tính thông số của mạch in đi dây một mặt có cấu trúc như hình vẽ, biết độ khoảng cách đi dây s = 15mils, độ rộng đi dây w = 15mils, độ dày chất nền h = 62mils, hệ số điện môi của chất nền εr = 4,7.  Áp dụng công thức tính thông số mạch in, ta có:      C rC ZZ L H m v v ' 8 0 . 157,036. 2.358 0,804 / 3.10    C L C pF m Z 2 38,53 /      s k = k k s w 21 ; ' 1 0,943 2 3 Do k < =0,7 1 1 3 2   r ' 2.358            C r Z k k ' 377 157,036 1 ' ln 2 1 ' Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu 3I-HUST 2012 II. Đường truyền trên mạch in  Mạch in đi dây 2 mặt  Với                        C r r r r r Z w w h h 2 377 1 1 0,441 ln 0,94 1,451 0,082 2 25  w h 1  Với  w h 1                            r C r rr h w Z w h 2 1377 2 4 1 1 0,242 ln 0,452 8 2 11 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu 3I-HUST 2012 III. Ghép nối đường truyền – Vấn đề bảo toàn tín hiệu 26 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu  Trong hệ thống số, xung nhịp tín hiệu thường rất lớn (~3GHz trong máy tính)  cho phép tăng tốc truyền dữ liệu.  Tốc độ truyền dữ liệu sẽ quyết định tốc độ (hiệu năng) làm việc của hệ thống.  Một trong những yếu tố chính quyết định tốc độ truyền dữ liệu là thời gian trễ (time delay) khi truyền tín hiệu trên các đường truyền dẫn.  Trong hệ thống truyền dẫn tần số cao, có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu truyền dẫn:  Đồng bộ xung tín hiệu giữa các môđun (clock skew).  Nhiễu mức logic (0, 1)  Sự gián đoạn của đường truyền dẫn (lỗ via trên mạch in )   Bảo toàn tín hiệu (signal integrity) là bài toán xây dựng hệ thống truyền dẫn thông tin không chịu sự tác động của đường truyền dẫn. 3I-HUST 2012 III. Ghép nối đường truyền – Vấn đề bảo toàn tín hiệu 27 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu Ví dụ 3.7: Vấn đề về clock skew trong hệ thống số   delay t TD TD #1 1 2    delay t TD TD TD #2 1 2 3   delay delay t t clocks kew #2 #1     delay delay t TD TD TD t #1 #2 1 2 3  no clocks kew 3I-HUST 2012 III. Ghép nối đường truyền – Vấn đề bảo toàn tín hiệu 28 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu Ví dụ 3.8: Xét mạch in gồm 2 vi mạch CMOS. Kích thước mạch in như hình vẽ.  Thông số của đường truyền:        D r v L v m s T ns v 80 ' 1,59.10 / 1,255   r 4,7    w h 100 1,6 1 62       C rC C ZZ L L H m C pF m v v Z ' 2 0 . 0,335 / ; 117,5 /                  C r w w Z h h 1 ' 120 1,393 0,667 ln 1,444 53,4          r r r h w ' 1 1 1 3,54 2 2 1 10 / 3I-HUST 2012 III. Ghép nối đường truyền – Vấn đề bảo toàn tín hiệu 29 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu Ví dụ 3.8: Xét mạch in gồm 2 vi mạch CMOS. Kích thước mạch in như hình vẽ.  Mô hình hóa mạch CMOS inverter:  VS = 2,5V, f = 25MHz, thời gian sườn xung 2ns, 50% duty cycle  Trở kháng ra 25Ω  Trở kháng vào 5pF  Điện áp tại đầu vào mạch CMOS dao động  sai lệch mức logic.  Nguyên nhân: Vấn đề phối hợp trở kháng 3I-HUST 2012 III. Ghép nối đường truyền – Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.1. Ảnh hưởng của tải cuối dây 30 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu  Xét mạch logic số dùng vi mạch CMOS  Thay thế Gate 1 bằng sơ đồ Thevenin  Gate 2 bằng tải RL  Trong các hệ thống số, thường xuyên xảy ra các dao động ngoài mong muốn tại ví trí ghép nối do vấn đề hòa hợp tải 3I-HUST 2012 III. Ghép nối đường truyền – Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.1. Ảnh hưởng của tải cuối dây 31 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu  Sử dụng sơ đồ Thevenin để mô hình hóa cổng CMOS:  Gate 1: Nguồn áp + RS = 10Ω  Gate 2: Hở mạch  Hệ số phản xạ đầu dây         S C S S C R Z n R Z 10 50 2 10 50 3  Hệ số phản xạ cuối dây truyền dẫn         L C L L C Z Z n Z Z 50 1 50  Điện áp tại đầu đường dây:      C init S C S Z V V V Z R 50 5 4,17 10 50 3I-HUST 2012 III. Ghép nối đường truyền – Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.1. Ảnh hưởng của tải cuối dây 32 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu  Điện áp cuối dây:  Dao động 8.33 - 2.78V  sai lệch mức logic (0, 1)  Nguyên nhân: nS và nL trái dấu 3I-HUST 2012 III. Ghép nối đường truyền – Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.1. Ảnh hưởng của tải cuối dây 33 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu Quan hệ giữa hệ số phản xạ đến điện áp cuối dây truyền dẫn Điện áp trên tải (-) RS ZC (+) RS > ZC (-) RL < ZC (+) RS > ZC (+) RL > ZC (-) RS < ZC (-) RL < ZC    S C S S C R Z n R Z    L C L L C R Z n R Z 3I-HUST 2012 III. Ghép nối đường truyền – Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.1. Ảnh hưởng của tải cuối dây 34 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu  Xét tổng trở cuối dây là C (CMOS input logic gates)  Coi nguồn hòa hợp với đường dây       S C S C S S C R Z R Z n R Z 0  Hệ số phản xạ cuối dây    L C L L C Z Z n Z Z  Điện áp trên tải:  Trễ hơn so với áp nguồn TD  Trễ td do tính chất của tải  d C t C Z0,693. . 3I-HUST 2012 III. Ghép nối đường truyền – Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.1. Ảnh hưởng của tải cuối dây 35 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu  Xét tổng trở cuối dây L  Coi nguồn hòa hợp với đường dây       S C S C S S C R Z R Z n R Z 0  Hệ số phản xạ cuối dây    L C L L C Z Z n Z Z  Điện áp trên tải:  Trễ hơn so với áp nguồn TD 3I-HUST 2012 III. Ghép nối đường truyền – Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Phối hợp trở kháng với đường truyền dẫn 36 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu  Khi trở kháng tại các vị trí ghép nối không hòa hợp với đường truyền sẽ gây ra sự ảnh hưởng lên tín hiệu truyền dẫn  ảnh hưởng đến tín hiệu trên đường truyền.  Phối hợp trở kháng:  Mắc trở kháng nối tiếp (hòa hợp nguồn)  Mắc trở kháng song song (hòa hợp tải) 3I-HUST 2012 III. Ghép nối đường truyền – Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Phối hợp trở kháng với đường truyền dẫn 37 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu  Phối hợp trở kháng:  Mắc trở kháng nối tiếp:   S C R R Z      C L S C Z V V V R R Z 0 0 2  Nếu RL = ∞, hệ số phản xạ nL = 1  VL = V0 (đảm bảo mức logic)  Nếu tải ở trạng thái cao trở  trong mạch không có dòng điện 3I-HUST 2012 III. Ghép nối đường truyền – Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Phối hợp trở kháng với đường truyền dẫn 38 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu  Phối hợp trở kháng:  Mắc trở kháng song song:   L C L R R Z R R .    C init S C Z V V R Z 0  Trên dây truyền dẫn không có áp phản xạ, áp trên tải < V0  Khi tải ở trạng thái cao trở  trong mạch có dòng điện, gây tổn hao công suất 3I-HUST 2012 III. Ghép nối đường truyền – Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Phối hợp trở kháng với đường truyền dẫn 39 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu Ví dụ: Xét 2 mạch logic đảo CMOS.    C D Z T ns 50 0,2  Đặc tính đường truyền:  Mô hình hóa theo sơ đồ Thevenin  Đầu vào mạch CMOS: 5pF  Nguồn: VS(t): 0 – 5V, RS = 20Ω  Mạch không phối hợp trở kháng ở cả nguồn và tải 3I-HUST 2012 III. Ghép nối đường truyền – Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Phối hợp trở kháng với đường truyền dẫn 40 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu Ví dụ 3.9: Xét 2 mạch logic đảo CMOS. Tín hiệu tại đầu vào mạch CMOS (khi chưa phối hợp trở kháng) Tín hiệu tại đầu ra của mạch CMOS Phối hợp trở kháng tại nguồn Tín hiệu tại đầu vào mạch CMOS (sau khi phối hợp trở kháng) 3I-HUST 2012 III. Ghép nối đường truyền – Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Phối hợp trở kháng với đường truyền dẫn 41 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu Ví dụ 3.9: Xét 2 mạch logic đảo CMOS. Tín hiệu tại đầu vào mạch CMOS (khi chưa phối hợp trở kháng) Tín hiệu tại đầu ra của mạch CMOS Phối hợp trở kháng với tải Tín hiệu tại đầu vào mạch CMOS (sau khi phối hợp trở kháng) 3I-HUST 2012 III. Ghép nối đường truyền – Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Phối hợp trở kháng với đường truyền dẫn 42 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu  Có thể bỏ qua vấn đề hòa hợp tải với đường truyền dẫn nếu:  Mức logic điện áp trên tải đúng với mức logic yêu cầu  Dạng sóng điện áp trên tải đảm bảo yêu cầu cần thiết  Xét đường dây truyền dẫn:  Có thể bỏ qua sự ảnh hưởng của đường truyền dẫn nếu: τr: thời gian sườn lên của xung TD: thời gian trễ của đường truyền         D r r D max max v L L T T f v f 1 1 1 1 10 10 10 10 v: vận tốc truyền sóng trên dây fmax: tần số max của tín hiệu truyền dẫn L: chiều dài đường truyền dẫn 3I-HUST 2012 III. Ghép nối đường truyền – Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Phối hợp trở kháng với đường truyền dẫn 43 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu Ví dụ 3.10: Xét 2 mạch logic đảo CMOS.    C D Z T ns 50 0,2  Đặc tính đường truyền:  Mô hình hóa theo sơ đồ Thevenin  Đầu vào mạch CMOS: 5pF  Nguồn: VS(t): 0 – 5V, RS = 20Ω 3I-HUST 2012 III. Ghép nối đường truyền – Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Phối hợp trở kháng với đường truyền dẫn 44 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu Ví dụ 3.10: Xét 2 mạch logic đảo CMOS. τr = 1ns = 5TD, V ≈ 6V τr = 0,2ns = TD, V ≈ 7V τr = 2ns = 10TD, V ≈ 5,3V τr = 4ns = 20TD, V ≈ 5,2V 3I-HUST 2012 III. Ghép nối đường truyền – Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Ảnh hưởng của đường truyền dẫn không liên tục 45 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu  Nguyên nhân:  Kích thước đường truyền dẫn thay đổi  Đặc tính đường truyền thay đổi  Môi trường truyền dẫn thay đổi      r iC C t i rC C v n vZ Z n v v vZ Z 1 12 12 1 12 2 1 12 1    C t i C C Z v v Z Z 2 2 1 1 2 2  Xét đường truyền dẫn như hình vẽ  Sóng tới từ đường truyền 1 3I-HUST 2012 III. Ghép nối đường truyền – Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Ảnh hưởng của đường truyền dẫn không liên tục 46 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu  Xét đường truyền dẫn như hình vẽ  Sóng phản xạ từ đường truyền 2:      r iC C i r tC C v n vZ Z n v v vZ Z 2 21 21 2 21 2 2 12 1    C t i C C Z v v Z Z 1 1 2 1 2 2 3I-HUST 2012 III. Ghép nối đường truyền – Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Ảnh hưởng của đường truyền dẫn không liên tục 47 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu Ví dụ 3.11: Xét 2 đường truyền dẫn mắc nối tiếp với nhau. Biểu diễn sóng điện áp trên tải và tại điểm nối giữa 2 đường truyền        C C C C Z Z n Z Z 2 1 12 2 1 100 50 1 100 50 3      C C C Z T Z Z 2 12 1 2 2 200 4 100 50 3  Xét sóng tới từ đường dây 1:  Hệ số phản xạ sóng và hệ số truyền sóng tại A:  Xét sóng tới từ đường dây 2:  Hệ số phản xạ sóng và hệ số truyền sóng tại A:         C C C C Z Z n Z Z 1 2 21 2 1 50 100 1 100 50 3      C C C Z T Z Z 1 21 1 2 2 100 2 100 50 3 3I-HUST 2012 III. Ghép nối đường truyền – Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Ảnh hưởng của đường truyền dẫn không liên tục 48 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu Ví dụ 3.11:    C init S S C Z V V V R Z 1 1 . 2,5 n V 12 2,5. 0,833  Điện áp tại đầu đường dây 1:  Sóng áp 2,5V trễ 1ns để truyền tới A  Áp phản xạ tại A:  Áp khúc xạ tại A: T V122,5. 3,333  Thời gian áp khúc xạ tại A tới B:2ns(3ns)   B V V6,667  Cuối dây 2 hở mạch  phản xạ toàn phần cuối dây: 3I-HUST 2012 III. Ghép nối đường truyền – Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Ảnh hưởng của đường truyền dẫn không liên tục 49 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu Ví dụ 3.11:   B V V6,667  Thời gian sóng phản xạ tại B (3,333V) chạy về A: 2ns (5ns)  Sóng phản xạ đến A tạo sóng khúc xạ: T V 21 3,333. 2,222  Thời gian sóng khúc tại A chạy đến đầu đường 1: 1ns (6ns)  Tại đầu đường 1, tải hòa hợp dây  hệ số phản xạ = 0  Tại A, sóng phản xạ:  n V 21 3,333. 1,111 3I-HUST 2012 III. Ghép nối đường truyền – Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Ảnh hưởng của đường truyền dẫn không liên tục 50 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu Ví dụ 3.11:  Thời gian sóng phản tại A chạy đến cuối dây 2: 2s (7s)  B V V4,444  Sóng phản tại A chạy đến cuối dây 2  phản xạ toàn phần  Quá trình phản xạ nhiều lần tiếp tục xảy ra tại B, A:  Sóng phản xạ tại B là sóng tới tại A  n V tai t = ns 21 1,111. 0,37 9  Sóng tới tại A, phản xạ quay lại B  B V V tai t = 11ns5,185 3I-HUST 2012 III. Ghép nối đường truyền – Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Ảnh hưởng của đường truyền dẫn không liên tục 51 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu Ví dụ 3.12: Khảo sát điện áp trên tải biết các thông số đường truyền dẫn không liên tục  Trong trường hợp này nguồn và tải đều thỏa mãn điều kiện phối hợp trở kháng  Thời gian sóng từ đầu dây đến vị trí không liên tục TD1  Sóng phản xạ: (VS/2).n12    C init S S C Z V V V R Z 1 1 . 2,5  Tại vị trí nối:  Sóng khúc xạ: (VS/2).T12  Sóng khúc xạ là sóng tới với tải, trễ khoảng thời gian: TD1 + TD2 3I-HUST 2012 III. Ghép nối đường truyền – Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Ảnh hưởng của đường truyền dẫn không liên tục 52 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu Ví dụ 3.12: Khảo sát điện áp trên tải biết các thông số đường truyền dẫn không liên tục  Tại tải, không có sóng phản xạ do điều kiện hòa hợp tải thỏa mãn  Điện áp tại điểm nối:      S S C mid S C C V V Z V n T V Z Z 2 12 12 1 2 (1 ) 2 2  Điện áp trên tải:    S C L S C C V Z V T V Z Z 2 12 1 2 2 3I-HUST 2012 III. Ghép nối đường truyền – Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Ảnh hưởng của đường truyền dẫn không liên tục 53 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu  Trong vi mạch số, tính không liên tục của đường truyền có thể do tín hiệu truyền đến vị trí mắc nối tiếp hoặc song song của các vi mạch  Xét đường truyền nối nối tiếp:  Coi 2 đường truyền có cùng ZC  Thời gian trễ khác nhau: TD1, TD2  Vi mạch số là các vi mạch CMOS  đầu vào hở mạch 3I-HUST 2012 III. Ghép nối đường truyền – Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Ảnh hưởng của đường truyền dẫn không liên tục 54 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu  Xét đường truyền nối tiếp: Để khử sóng phản xạ trên đường truyền:  Phối hợp trở kháng tại nguồn: RS + R = ZC  Mắc trở kháng song song với tải  gây tổn hao công suất khi mạch ở trạng thái cao trở  nối R = ZC tại vị trí nối 2 dây       C C C C Z Z n n Z Z 12 21 ( / 2) 1 ( / 2) 3     C C C Z T T Z Z 12 21 2( / 2) 2 ( / 2) 3 3I-HUST 2012 III. Ghép nối đường truyền – Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Ảnh hưởng của đường truyền dẫn không liên tục 55 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu  Xét đường truyền song song:  Tổng trở vào nhìn từ nguồn: ZC/2  Điện áp tại đầu đường dây:   C init S S C Z V V R Z ( / 2) / 2  Sóng phản xạ toàn phần từ cuối dây đi đến đầu dây sau TD1, TD2  Tổng trở vào nhìn từ đường 1: RS // ZC     C S C Z n n R Z 12 21 2    S S C R T T R Z 12 21 2 2 3I-HUST 2012 III. Ghép nối đường truyền – Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.3. Ảnh hưởng của đường truyền dẫn tiêu tán 56 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu  Mô hình đường truyền tiêu tán:           d V z Z I z dz d I z Z V z dz . . . . ( ) ( ) ( ) ( )        Z R j L Y G j C  Phương trình mô tả đường truyền  Phương trình mô tả sự phân bố dòng áp:                          z j z z j z z j z z j z C C V z V e e V e e V V I z e e e e Z Z . .. . . . ( ) ( )       C Z Z ZY j Y ; 3I-HUST 2012 III. Ghép nối đường truyền – Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.3. Ảnh hưởng của đường truyền dẫn tiêu tán 57 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu  Suy hao biên độ tín hiệu và méo pha:  Hệ số tắt: α (ɷ)  Hệ số pha: β(ɷ)  Hiện tượng tán sắc: v(ɷ)  Làm méo tín hiệu truyền trên đường truyền 3I-HUST 2012 Nhiễu và tương thích trường điện từ Chương 4: Phần tử không lý tưởng I. Đường truyền dẫn không lý tưởng II. Các phần tử thụ động (passive element) III. Vật liệu sắt từ IV. Các vi mạch số 1 3I-HUST 2012 Chương 4: Phần tử không lý tưởng I. Đường truyền dẫn không lý tưởng  Đường truyền dẫn là một trong những thành phần quan trọng nhất trong hệ thống truyền dẫn thông tin.  Mô hình tính toán đường truyền dẫn  Mô hình phân bố rải (đường dây dài)  Mô hình mạch tập trung 2  L 10  Thành phần, thông số đường truyền dẫn sẽ thay đổi khi truyền dẫn ở những tần số cao (> 150kHz)  Giá trị điện cảm L của dây trong hệ thống số  Điện trở của dây: Quyết định do kích thước thiết kế (độ rộng, cách đi dây ) của dây truyền dẫn  giảm tối đa sự suy hao trên tín hiệu đường truyền dẫn. 3I-HUST 2012  Ở tần số thấp: 3 Chương 4: Phần tử không lý tưởng I. Đường truyền dẫn không lý tưởng I.1 Điện trở và điện cảm trong của dây dẫn   DC w L R r 2  Ở tần số cao: Xảy ra hiệu ứng bề mặt (điện tích dịch chuyển trên bề mặt của dây dẫn)   dc w r r 2 1      f 0 1 f δ 60Hz 8,5mm 1kHz 2,09mm 100kHz 0,21mm 1MHz 2,6 mils 100MHz 0,26 mils 1GHz 0,0823 mils                 wr ww w R rr r 22 1 1 2       w dc w r R R = f m r 01 / 2 2 3I-HUST 2012  Giá trị điện cảm trong (internal inductance) của dây truyền dẫn phụ thuộc vào tần số của tín hiệu 4 Chương 4: Phần tử không lý tưởng I. Đường truyền dẫn không lý tưởng I.1 Điện trở và điện cảm trong của dây truyền dẫn      i DC L =0,5.10 H m 70 , / 8  Ở tần số thấp:  Ở tần số cao:       i HF i DC w w w L L = for r r r f 0 , , 2 1 1 4 3I-HUST 2012 5 Chương 4: Phần tử không lý tưởng I. Đường truyền dẫn không lý tưởng I.2 Điện cảm ngoài và điện dung của dây truyền dẫn  Với các đường truyền song song: Từ trường giữa 2 dây sẽ ảnh hưởng lẫn nhau (hỗ cảm)                       wm e w w s in H m rs L L I r s in nH in r 0 0,4 ln ( / ) ln . 10,16 ln ( / .)    loop i eL L L L H nH2 [ , ]  Coi khoảng cách 2 dây đủ lớn so với kích thước của dây (s/rw > 5)  Tổng giá trị điện cảm của dây: 3I-HUST 2012 6 Chương 4: Phần tử không lý tưởng I. Đường truyền dẫn không lý tưởng I.2 Điện cảm ngoài và điện dung của dây truyền dẫn  Giá trị điện dung giữa 2 dây phụ thuộc vào quan hệ giữa khoảng cách 2 dây s, và kích thước của dây truyền dẫn rw                      w w w in pF m s rQ C L V s in pF in r s r 0 27,78 ( / ) ln . 0,706 ( / .)ln ln  Coi khoảng cách 2 dây đủ lớn so với kích thước của dây (s/rw > 5) 3I-HUST 2012 7 Chương 4: Phần tử không lý tưởng I. Đường truyền dẫn không lý tưởng I.2 Điện cảm ngoài và điện dung của dây truyền dẫn Ex 4.1: Xác định giá trị điện trở, điện cảm và điện dung của dây truyền tin làm việc ở tần số 200MHz, có độ dài 2 inches, tạo bởi 20 sợi đồng. Biết: độ dẫn điện của đồng σCu = 5,8.10 7 S/m, khoảng cách giữa 2 dây là 0,25 in.            m milsf 6 8 7 7 0 4,67.101 1 0,184.2.10 .4 .10 5,8.10  Hiệu ứng bề mặt:  Dây cấu tạo bởi 20 sợi đồng sẽ có kích thước tương đương với dây 1 sợi có kích thước rw = 16 mils >> δ (xem Bảng 5.2, trang 302)            w m R f r m in 7 80 5 7 1,44 /1 1 4 .10 2.10 2 2.16.2,54.10 .5,8.10 36,7 / .       HF i HF w nH mR L r f pH inf 0 , 1,15 /1 1 4 2 29,2 / .     hf R R L m. 73,4 3I-HUST 2012 8 Chương 4: Phần tử không lý tưởng I. Đường truyền dẫn không lý tưởng I.2 Điện cảm ngoài và điện dung của dây truyền dẫn             e w s L = nH in r 30,25.10 10,16 ln 10,16 ln 27,93( / .) 16  Giá trị điện cảm ngoài của dây truyền dẫn:                  in w C pF in C pF s r 2 .3 0,706 0,706 0,257( / .) 0,257.2 0,514 0,25.10 lnln 16 Ex 4.1: Xác định giá trị điện trở, điện cảm và điện dung của dây truyền tin làm việc ở tần số 200MHz, có độ dài 2 inches, tạo bởi 20 sợi đồng. Biết: độ dẫn điện của đồng σCu = 5,8.10 7 S/m, khoảng cách giữa 2 dây là 0,25 in.  Tổng giá trị điện cảm của dây truyền dẫn:    in i eL L L L nH2 . 2 55,98 .  Giá điện dung của dây truyền dẫn: 3I-HUST 2012 9 Chương 4: Phần tử không lý tưởng I. Đường truyền dẫn không lý tưởng I.2 Điện cảm ngoài và điện dung của dây truyền dẫn Ex 4.2: Xác định giá trị điện trở, điện cảm và điện dung của dây truyền tin làm việc ở tần số 10MHz, có độ dài 5 in., tạo bởi 28 sợi đồng. Biết: độ dẫn điện của đồng σCu = 5,8.10 7 S/m, khoảng cách giữa 2 dây là 50 in. 3I-HUST 2012 10 Chương 4: Phần tử không lý tưởng I. Đường truyền dẫn không lý tưởng I.3 Mô hình thông số tập trung của dây truyền dẫn song song  Xét 1 dây truyền dẫn song song: chiều dài L, và cách nhau một đoạn s  Các thông số của đường truyền dẫn song song khi xét ở tần số cao:  Điện trở đường dây truyền dẫn:       w dc w r R R = f m r 01 / 2 2  Điện cảm trong, ngoài:    loop i eL L L L H nH2 [ , ]  Điện dung của dây truyền dẫn:         w Q C L V s r 0 . ln 3I-HUST 2012 11 Chương 4: Phần tử không lý tưởng I. Đường truyền dẫn không lý tưởng I.3 Mô hình thông số tập trung của dây truyền dẫn song song  Mô hình phân tích cho đường truyền dẫn song song (L, s)  Nếu L << λ: Mô tả đường dây truyền dẫn song song theo mô hình mạch thông số tập trung  Nếu L > λ: Mô tả đường dây truyền dẫn song song theo mô hình mạch thông số rải Sơ đồ hình Γ-ngược Sơ đồ hình Π Sơ đồ hình Γ Sơ đồ hình T 3I-HUST 2012 12 Chương 4: Phần tử không lý tưởng I. Đường truyền dẫn không lý tưởng I.3 Mô hình thông số tập trung của dây truyền dẫn song song  Chú ý:  Trong các mô hình thông số tập trung, giá trị điện cảm trong Li thường nhỏ hơn nhiều so với giá trị điện cảm ngoài Le  có thể bỏ qua Li trong các mô hình.               m e Le e e w s L X L fl L L I r 0 ln 2 .        i HF Li i w L X f l L r f 0 , 1 1 2 4 Giá trị điện kháng ngoài tăng tỉ lệ với tần số tín hiệu f Giá trị điện kháng trong tăng tỉ lệ với f Ví dụ 4.3: Mô hình truyền dẫn song song sử dụng dây cáp đồng, lõi 20 sợi, đặt cách nhau 50mils có giá trị điện cảm trong Li,dc = 0,05μH/m, và giá trị điện cảm ngoài Le = 0,456μH/m. Khi xét ở tần số cao (tại đó rw > 2δ), Le không đổi, trong khi đó Li giảm tỉ lệ với . f 3I-HUST 2012 13 Chương 4: Phần tử không lý tưởng I. Đường truyền dẫn không lý tưởng I.3 Mô hình thông số tập trung của dây truyền dẫn song song  Chú ý:  Việc lựa chọn mô hình thông số tập trung phù hợp sẽ cho phép tăng độ chính xác khi tính toán và mô hình hóa đường truyền.         e C w L s Z c r 120 ln  Nếu ZL << ZC  sử dụng sơ đồ hình T, Γ  Nếu ZL >> ZC  sử dụng sơ đồ hình Π, Γ-ngược 3I-HUST 2012 14 Chương 4: Phần tử không lý tưởng I. Đường truyền dẫn không lý tưởng I.4. Đường truyền mạch in  Đặc điểm đường truyền:  Tiết diện ngang: hình chữ nhật  Khắc mạch trên nhựa epoxy (εr = 4,7), độ dày 47 – 62mils  Độ dày lớp đồng: 1,38mils (2,76mils) DC  Ở tần số thấp:     lf DC R R in m wt 1 ( / )  Ở tần số cao: Xảy ra hiệu ứng bề mặt  Điện trở        hf R in m w+2 t) w+t 1 1 ( / ) (2 2 ( )     wt t for w t w t 1 2 ( ) 2  Điện cảm, điện dung: Được tính theo các công thức trong chương 3      Ce C e Cr ZL v Z v L C C v vZ 0 ' 1 ( ) ; ; ; 3I-HUST 2012 15 Chương 4: Phần tử không lý tưởng Ex 4.4: Xác định giá trị điện trở, điện cảm và điện dung của đường truyền mạch in làm việc ở tần số 100MHz, biết kích thước vật lý mạch in: Độ dài mạch in 5 in., s = 15mils, w = 15mils, h = 62 mils, t = 1,38 mils, εr = 4,7, σCu = 5,8.10 7 S/m.         hf R w+t 2 7 5 5 1 1 .5.2,54.10 1,382 ( ) 2.5,8.10 . .2,54.10 . 15 1,38 .2,54.10 2  Điện trở của đường truyền mạch in:  Điện cảm, điện dung:   hf R m150      s k = < =0,7 s w k k 2 1 1 2 3 2 ' 1 0,943                          r C r k k k Z k k k ' ' 120 1 1 ln 2 1 1 2 377 1 0 21 ' ln 2 1 ' I. Đường truyền dẫn không lý tưởng I.4. Đường truyền mạch in 3I-HUST 2012 16 Chương 4: Phần tử không lý tưởng Ex 4.4: Xác định giá trị điện trở, điện cảm và điện dung của đường truyền mạch in làm việc ở tần số 100MHz, biết kích thước vật lý mạch in: Độ dài mạch in 5 in., s = 15mils, w = 15mils, h = 62 mils, t = 1,38 mils, εr = 4,7, σCu = 5,8.10 7 S/m.  Điện cảm, điện dung:       C rC ZZ L nH v v ' 2 2 2 8 0 . 157,036. 2.358 .5.2,54.10 .5.2,54.10 .5.2,54.10 102 3.10   C L C pF Z 2 2 .5.2,54.10 4,893            C r Z k k ' 377 157,036 1 ' ln 2 1 '                             r r r h kw k k w h ' 1 tanh 0,775ln 1,75 0,04 0,7 0,01 1 0,1 0,25 2   r ' 2.358 I. Đường truyền dẫn không lý tưởng I.4. Đường truyền mạch in 3I-HUST 2012 17 Chương 4: Phần tử không lý tưởng II. Các phần tử thụ động (passive element) II.1. Chân cắm linh kiện  Các linh kiện mạch (R, L, C, ) được nối với mạch điện bằng các đầu nối (leads).  Dạng đầu nối:  Linh kiện thông thường: Các đoạn vật dẫn (discrete lead attachement)  Linh kiện dán (surface mount technology - SMT): Điểm nối dạng hình chữ nhật  Ở tần số cao, tại các đầu nối của linh kiện, đều tồn tại các hiệu ứng gây ảnh hưởng đến tính tuyến tính của linh kiện 3I-HUST 2012 18 Chương 4: Phần tử không lý tưởng  Mô hình thông số tập trung đối với hiệu ứng cảm kháng và dung kháng trên đầu nối linh kiện Ví dụ 4.5: Xét linh kiện mạch có kích thước chân cắm dạng trụ tròn rw = 16mils, chiều dài 0,5 in., khoảng cách 0,25 in.  Giá trị điện kháng ký sinh của đầu chân cắm:        e w s L 14nH r 10,16 ln .0,5  Giá trị điện dung của đầu chân cắm:       w C pF s r 0,706 0,5 0,128 ln Mô hình thông số tập trung cho hiệu ứng cảm kháng Mô hình thông số tập trung cho hiệu ứng dung kháng II. Các phần tử thụ động (passive element) II.1. Chân cắm linh kiện 3I-HUST 2012 19 Chương 4: Phần tử không lý tưởng  Mô hình thông số nào (phân bố rải, tập trung) cho phép mô tả cả 2 hiệu ứng dung kháng + cảm kháng của các chân cắm linh kiện?  Hiệu ứng dung kháng + cảm kháng của các chân cắm linh kiện được mô tả bằng mô hình mạch thông số rải.  02 hiệu ứng xảy ra trên toàn bộ chiều dài của chân cắm linh kiện  Ở tần số cao: Mô hình Π Mô hình T Mô hình Γ ngược Mô hình Γ II. Các phần tử thụ động (passive element) II.1. Chân cắm linh kiện 3I-HUST 2012 20 Chương 4: Phần tử không lý tưởng II. Các phần tử thụ động (passive element) II.2. Điện trở  Điện trở là phần tử phổ biến nhất trong các mạch điện  Có 3 loại điện trở:  Điện trở carbon:  Phổ biến nhất,  Có giá trị lớn (kΩ - MΩ)  Dung sai lớn: 5 – 10%   DC w L R r 2  Điện trở dây quấn:  Có giá trị nhỏ (Ω), sai số nhỏ  Thường sử dụng làm việc ở tần số thấp  Ở tần số cao: Có hiện tượng tự cảm  điện cảm L  Điện trở màng mỏng:  Chế tạo theo kỹ thuật mang kim loại  Có độ chính xác cao (Ω)  Kích thước nhỏ gọn. 3I-HUST 2012 21 Chương 4: Phần tử không lý tưởng  Ở tần số thấp: Điện trở là thuần trở (lý tưởng):  Điện trở dây cuốn: Tồn tại hiện tượng tự cảm  điện cảm ký sinh L  Tồn tại điện dung ký sinh: 1 – 2pF  Ở tần số cao: Điện trở không lý tưởng Điện trở thực và mô hình tương đương của điện trở khi xét ở tần số cao Mô hình giản đơn của điện trở khi xét ở tần số cao II. Các phần tử thụ động (passive element) II.2. Điện trở 3I-HUST 2012 22 Chương 4: Phần tử không lý tưởng Ví dụ 4.6: Xét điện trở dây quấn, có chiều dài dây quấn 0,5 in., khoảng cách quấn dây 0,25 in., với kích thước dây rw = 16mils.  Điện cảm ký sinh:             lead w s L .0,5=13,97nH r 30,25.10 10,16 ln .0,5 10,16 ln 16  Tụ điện ký sinh:               lead ks w C pF<<C =1pF s r 3 0,706 0,706 .0,5 0,5 0,129 0,25.10 lnln 16  Với điện trở 1kΩ hoạt động ở tần số 159MHz            ksC ks L lead X k C X L k 1 1 14  Tần số cộng hưởng:   lead ks f GHz L C 1 1,3 2 II. Các phần tử thụ động (passive element) II.2. Điện trở 3I-HUST 2012 23 Chương 4: Phần tử không lý tưởng  Hai loại tụ phổ biến:  Tụ hóa:  Giá trị lớn: μF ~ vài nghìn μF, phân cực  Sử dụng các chất điện môi phân cực  Trong EMC: Chống nhiễu trong dải tần số thấp  Tụ gốm:  Giá trị nhỏ: Dưới 1μF – vài pF, không phân cực  Trong EMC: Chống nhiễu các tín hiệu tần số cao (trong dải tần số gây nhiễu bức xạ ~ 100MHz)  Đặc tính tần:      C Z j C C 01 1 90 II. Các phần tử thụ động (passive element) II.3. Tụ điện 3I-HUST 2012 24 Chương 4: Phần tử không lý tưởng  Mô hình mạch tương đương: Tụ hóa và tụ gốm đều có cùng một mô hình mạch tương đương, nhưng thông số khác nhau  Rdiel: đặc trưng cho tổn hao về sự phân cực của chất điện môi (rất lớn, có thể bỏ qua)  Rplate: điện trở của 2 bản cực (rất nhỏ, có thể bỏ qua đối với tụ gốm).  Llead, Clead: Clead có thể bỏ qua khi xét ở tần số thấp Mô hình mạc tương đương của tụ ở tần số cao Mô hình mạch giản đơn của tụ điện ở tần số cao II. Các phần tử thụ động (passive element) II.3. Tụ điện 3I-HUST 2012 25 Chương 4: Phần tử không lý tưởng Mô hình mạch giản đơn của tụ điện ở tần số cao Ví dụ 4.7: Xét tụ điện có giá trị 470pF (0,1μF) có kích thước: khoảng cách 2 chân s = 0,25 in., chiều dài chân l = 0,5 in.  Giá trị điện kháng ký sinh của đầu chân cắm:        e lead w s L 14nH=L r 10,16 ln .0,5  Tần số cộng hưởng f0  Với tụ 470pF:  Với tụ 0,1μF:       lead f MHz L C 0 12 9 1 1 62 2 2 14.10 .470.10       lead f MHz L C 0 12 6 1 1 4,25 2 2. 14.10 .0,1.10 II. Các phần tử thụ động (passive element) II.3. Tụ điện 3I-HUST 2012 26 Chương 4: Phần tử không lý tưởng  Tụ thường được sử dụng lọc nhiễu tần số cao bằng cách nối song song với tải. Tuy nhiên cần chú ý lựa chọn giá trị của tụ phù hợp. Ví dụ 4.8: Giả sử cần lọc nhiễu ở tần số 100MHz cho tải  mắc 01 tụ gốm 100pF (l = 0,5 in., s = 0,25 in.) mắc song song với tải. Nếu muốn tăng hiệu quả lọc nhiễu, cần lựa chọn giá trị của tụ như thế nào?  Tăng độ lớn tụ gốm (10.000pF, l = 0,5 in., s = 0,25 in.)  thực tế cho thấy hiệu quả lọc nhiễu giảm hơn trước. Tại sao?  Ở tần số 100MHz, mô hình tụ điện:        e lead w s L 14nH=L r 10,16 ln .0,5 II. Các phần tử thụ động (passive element) II.3. Tụ điện 3I-HUST 2012 27 Chương 4: Phần tử không lý tưởng Ví dụ 4.8: Giả sử cần lọc nhiễu ở tần số 100MHz cho tải  mắc 01 tụ gốm 100pF (l = 0,5 in., s = 0,25 in.) mắc song song với tải. Nếu muốn tăng hiệu quả lọc nhiễu, cần lựa chọn giá trị của tụ như thế nào?  Tần số cộng hưởng     lead MHz for C = 100pF f MHz for C pFL C 0 4,251 0,42 100002 Tụ 10.000pF thể hiện tính cảm kháng nhiều hơn so với tụ 100pF  Tại tần số 100MHz: Tụ 10.000pF có trở kháng lớn hơn so với trở kháng của tụ 100pF. II. Các phần tử thụ động (passive element) II.3. Tụ điện 3I-HUST 2012 28 Chương 4: Phần tử không lý tưởng  Khi mắc tụ C song song với tải để lọc nhiễu cho tải  ta có mô hình mạch   Load C noise C Load Z I I Z Z . .  Chú ý: Khi sử dụng bất kỳ tụ C mắc song song để lọc nhiễu cho tải, cần chú ý đến giá trị trở kháng của tải so với trở kháng của phần tử đó tại tần số của nhiễu. Nếu Zload << ZC  không có tác dụng lọc nhiễu.  Nếu ZLoad >> ZC: Tụ C có khả năng lọc nhiễu cho tải  Nếu ZLoad < ZC: Tụ C không có khả năng lọc nhiễu cho tải II. Các phần tử thụ động (passive element) II.3. Tụ điện 3I-HUST 2012 29 Chương 4: Phần tử không lý tưởng  Tổng trở cuộn dây : ZL = jwL  Mô hình mạch tương đương của cuộn dây:  Rpar: Điện trở dây cuốn cuộn dây  Cpar: Tụ điện ký sinh giữa 2 vòng dây  Llead << L, Clead << Cpar: bỏ qua Mô hình giản đơn của cuộn dây ở tần số cao Mô hình mạch tương đương của cuộn dây ở tần số cao II. Các phần tử thụ động (passive element) II.4. Cuộn dây 3I-HUST 2012 30 Chương 4: Phần tử không lý tưởng  Cuộn dây mắc nối tiếp với tải có tác dụng lọc nhiễu nếu tại tần số của nhiễu, trở kháng cuộn dây lớn hơn trở kháng tải Zload  Lọc nhiễu cho tải:  Nếu Zload lớn  sử dụng tụ C mắc song song  Nếu Zload nhỏ  sử dụng cuộn dây L mắc nối tiếp II. Các phần tử thụ động (passive element) II.4. Cuộn dây 3I-HUST 2012 31 Chương 4: Phần tử không lý tưởng III. Vật liệu sắt từ III.1. Giới thiệu  Trong EMC, vật liệu sắt từ được sử dụng để chống nhiễu do chúng có các tính chất quan trọng:  Tính bão hòa  Khả năng tập trung từ trường  Tính chọn lọc với tần số  Xét cuộn dây lõi sắt từ, ta có:   r N A L l 2 0 μr: hệ số từ thẩm tương đối của lõi sắt từ μ0: hệ số từ thẩm của chân không (4π.10 -7) A: diện tích mặt cắt của lõi l: chiều dài trung bình của lõi R: từ trở     B H    l A       air core air core 3I-HUST 2012 32 Chương 4: Phần tử không lý tưởng  Các vật liệu sắt từ có tính lựa chọn cao với tần số Ví dụ 4.9: Xét lõi ferrite MnZn và NiZn:  Ở tần số thấp: μr MnZn > μr NiZn  Ở tần số cao: μr MnZn < μr NiZn  Trong các phòng thí nghiệm, đo và kiểm tra EMC, người ta thường sử dụng 2 loại vật liệu từ khác nhau để chống nhiễu: conducted emission và radiated emission. Đặc tính phụ thuộc theo tần số của hệ số từ thẩm của vật liệu sắt từ III. Vật liệu sắt từ III.1. Giới thiệu 3I-HUST 2012 33 Chương 4: Phần tử không lý tưởng  Trong các bài toán EMC, lõi ferrit dạng hình xuyến, hình trụ (ferrit bead) thường được sử dụng để chặn tín hiệu (nhiễu) tần số cao (không ảnh hưởng đến tín hiệu ở tần số thấp)  Nguyên lý hoạt động:  Lõi ferrit dạng xuyến bao quanh đường truyền tín hiệu  Dòng điện chảy qua tạo từ thông  tạo ra giá trị điện kháng trong lõi ferrit.         bead r r r r L K f j f 0 ' ''( ) ( ) K: hệ số kích thước của lõi ferrit μr : hệ số từ thẩm tương đối của ferrit μ'r : hệ số từ thẩm đo năng lượng từ trường của lõi. μ''r : hệ số từ thẩm đo sự tổn hao của lõi III. Vật liệu sắt từ III.1. Giới thiệu 3I-HUST 2012 34 Chương 4: Phần tử không lý tưởng  Nguyên lý hoạt động:  Giá trị điện kháng của lõi          bead bead r r rZ j L j K j j K' ''0 0  Mô hình mạch tương đương      bead r r R f L f Z f K j f K '' ' 0 0 ( ) ( ) ( ) ( )  Để tăng tổng trở của cuộn kháng, người ta thường sử dụng lõi ferrit dạng nhiều lỗ (multiple-hole ferrit bead) III. Vật liệu sắt từ III.1. Giới thiệu 3I-HUST 2012 35 Chương 4: Phần tử không lý tưởng  Common-mode chokes  Xét 2 dây dẫn mang dòng điện I1, I2  Có thể phân tích thành 2 thành phần: III. Vật liệu sắt từ III.1. Giới thiệu  Differential-model (normal-mode) current ID: Thành phần dòng điện chính (designed current) mang thông tin (năng lượng, tín hiệu).  Common-mode current IC: Điện áp trên các dây được tính so đất (GND)  dòng IC chảy cùng chiều, quay về đất của hệ thống. V 1 Differential mode ID ID V 2 Common mode IC IC 3I-HUST 2012 36 Chương 4: Phần tử không lý tưởng  Common-mode chokes  Xét 2 dây dẫn mang dòng điện I1, I2  Có thể phân tích thành 2 thành phần:  Differential-model current ID  Common-mode current IC                   D C D C D C I I I I I I I I I I I I . . . . . . 1 2 1 . . . . . . 2 1 2 1 2 1 2  Sự phát xạ gây ra bởi dòng điện IC có xu hướng lớn hơn nhiều so với thành phần gây ra bởi dòng điện ID III. Vật liệu sắt từ III.1. Giới thiệu 3I-HUST 2012 37 Chương 4: Phần tử không lý tưởng  Common-mode chokes (triệt tiêu dòng IC)  Quấn 2 dây (cùng chiều) qua lõi ferrit  Coi 2 dây giống nhau  L1 = L2 = L    V pL I pM I Z I I . . . 1 21 1 . . 1 1  Xét dòng ID: ZD = p(L - M) = 0  Xét riêng IC: ZC = p(L + M) = 2L  Bỏ qua tổn hao từ thông  L = M  Common-mode chokes không gây ảnh hưởng đến dòng ID nhưng có tác dụng tạo ra trở kháng 2L đối với dòng IC III. Vật liệu sắt từ III.1. Giới thiệu 3I-HUST 2012 38 Chương 4: Phần tử không lý tưởng  Cách đơn giản nhất thực hiện common-mode chokes  Trong trường hợp này sẽ xuất hiện tụ ký sinh làm giảm hiệu quả của phương pháp.  Để tăng hiệu quả việc chặn IC:  Chọn lõi ferrit có độ từ thẩm cao  giảm từ thông tản ra môi trường  L ~ M  Hình dáng lõi ferrit có dạng đối xứng III. Vật liệu sắt từ III.1. Giới thiệu 3I-HUST 2012 39 Chương 4: Phần tử không lý tưởng  Dưới góc độ của bài toán EMC, các thiết bị cơ điện (động cơ 1 chiều, xoay chiều, động cơ bước ) là các thiết bị có khả năng gây ra nhiễu điện từ trường mạnh Ví dụ 4.10: Động cơ 1 chiều thường gây ra nhiễu điện từ ở tần số cao do sự đánh lửa tại vị trí chổi than Cấu tạo vật lý của động cơ DC Phương pháp khử nhiễu điện từ cho động cơ DC III. Vật liệu sắt từ III.2. Các thiết bị cơ điện 3I-HUST 2012 40 Chương 4: Phần tử không lý tưởng Ví dụ 4.11: Động cơ bước khử nhiễu common – mode current bằng cách sử dụng common - mode chokes Mạch điều khiển tốc độ động cơ bước III. Vật liệu sắt từ III.2. Các thiết bị cơ điện 3I-HUST 2012 41 Chương 4: Phần tử không lý tưởng IV. Các vi mạch số  Trong hệ thống số, thông tin được truyền đi dưới dạng các xung (0, 1) trong đó thời gian sườn xung rất nhỏ (~ 1ns)  Trong hệ thống truyền dẫn, đường truyền sẽ ảnh hưởng đến tín hiệu nếu τr < 10TD  ở tần số cao thường xảy ra nhiễu phát xạ  Đối với hệ thống truyền dẫn số, yêu cầu về tăng tốc độ truyền dữ liệu sẽ dẫn đến sự gia tăng nhiễu trong hệ thống số.  Trong hệ thống vi mạch số, phương pháp chống nhiễu hiệu quả nhất là hạn chế sự ảnh hưởng bởi các nguồn nhiễu. Thực tế là nếu sử dụng quá nhiều các biện pháp lọc nhiễu thì điều đó cũng đồng nghĩa với việc chính nó tạo ra nhiễu.  Trong các vi mạch số, có một số lượng lớn các chất bán dẫn như diode, BJTs, FETs  khi hoạt động ở tần số cao sẽ sinh ra các tụ ký sinh (tại vị trí tiếp giáp n – p của chất bán dẫn)  ảnh hưởng đến thời gian sườn xung của tín hiệu 3I-HUST 2012 Nhiễu và tương thích trường điện từ Chương 5: Các dạng nhiễu điện từ trường I. Nhiễu truyền dẫn II. Hiện tượng phát sóng điện từ xung quanh đường truyền III. Hiện tượng xuyên âm IV. Các ảnh hưởng từ nguồn 1 3I-HUST 2012 Chương 5: Các dạng nhiễu điện từ trường I. Nhiễu truyền dẫn (conducted emission)  Nguồn nhiễu gây ra hiện tượng nhiễu truyền dẫn (< 30MHz) đối với các thiết bị điện chính là nguồn điện cung cấp cho thiết bị điện đó.  Tất cả các thiết bị điện đều nối chung vào mạng điện cung cấp, tạo ra một mạng lưới các thiết bị nối với nhau. 2  Thông qua mạng điện cung cấp, nhiễu sinh ra từ thiết bị này:  Gây nhiễu sang thiết bị khác trong mạng.  Phát tán lên mạng điện và có thể gây ra nhiễu phát xạ (radiated emission) trong mạng  Để loại bỏ nhiễu truyền dẫn và nhiễu phát xạ trong hệ thống, trước hết cần thực hiện lọc nhiễu truyền dẫn. 3I-HUST 2012 Chương 5: Các dạng nhiễu điện từ trường II. Hiện tượng phát sóng điện từ xung quanh đường truyền  Đường truyền dẫn là một trong những thành phần quan trọng nhất trong hệ thống truyền dẫn thông tin.  Mô hình tính toán đường truyền dẫn  Mô hình phân bố rải (đường dây dài)  Mô hình mạch tập trung 3  L 10  Thành phần, thông số đường truyền dẫn sẽ thay đổi khi truyền dẫn ở những tần số cao (> 150kHz)  Giá trị điện cảm L của dây trong hệ thống số  Điện trở của dây: Quyết định do kích thước thiết kế (độ rộng, cách đi dây ) của dây truyền dẫn  giảm tối đa sự suy hao trên tín hiệu đường truyền dẫn. 3I-HUST 2012 Chương 5: Các dạng nhiễu điện từ trường III. Hiện tượng xuyên âm  Đường truyền dẫn là một trong những thành phần quan trọng nhất trong hệ thống truyền dẫn thông tin.  Mô hình tính toán đường truyền dẫn  Mô hình phân bố rải (đường dây dài)  Mô hình mạch tập trung 4  L 10  Thành phần, thông số đường truyền dẫn sẽ thay đổi khi truyền dẫn ở những tần số cao (> 150kHz)  Giá trị điện cảm L của dây trong hệ thống số  Điện trở của dây: Quyết định do kích thước thiết kế (độ rộng, cách đi dây ) của dây truyền dẫn  giảm tối đa sự suy hao trên tín hiệu đường truyền dẫn. 3I-HUST 2012 Chương 5: Các dạng nhiễu điện từ trường IV. Các ảnh hưởng từ nguồn  Đường truyền dẫn là một trong những thành phần quan trọng nhất trong hệ thống truyền dẫn thông tin.  Mô hình tính toán đường truyền dẫn  Mô hình phân bố rải (đường dây dài)  Mô hình mạch tập trung 5  L 10  Thành phần, thông số đường truyền dẫn sẽ thay đổi khi truyền dẫn ở những tần số cao (> 150kHz)  Giá trị điện cảm L của dây trong hệ thống số  Điện trở của dây: Quyết định do kích thước thiết kế (độ rộng, cách đi dây ) của dây truyền dẫn  giảm tối đa sự suy hao trên tín hiệu đường truyền dẫn.