Đường trở về của dòng điện và bảo toàn tín hiệu highspeed

0
500

https://www.protoexpress.com/wp-content/uploads/2021/08/mixed-signal.png

Trước khi chúng ta bắt đầu với bài viết hôm nay, một điều gì đó cần phải khắc sâu trong tâm trí bạn. Nếu một số dòng điện đi ra đâu đó, nó sẽ luôn quay trở lại nguồn, không có ngoại lệ. Do đó, luôn có một vòng lặp dòng điện, một đường dẫn trở về của dòng điện, cùng với các trace mang dòng điện.

Vì vậy, dòng điện không quan tâm nếu bạn cung cấp đường dẫn trở lại đó. Nó sẽ tự tìm thấy. Nhưng nếu bạn không làm như vậy, nó sẽ gây nhiễu và làm rối tung toàn bộ mạch của bạn trong khi tìm đường quay trở lại. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ đề cập đến những điểm sau:

Đường trở về của dòng điện là gì?

Đường dẫn trở lại hiện tại trong PCB

Nguồn điện tử và mặt đất. Nó còn được gọi là dòng điện trở lại bởi vì nó truy tìm trở lại để đạt được nguồn.

Đường trở về return path của dòng điện không là gì ngoài con đường mà nó đi theo khi quay trở lại nguồn. Bạn có nhớ mạch điện là gì không? Nó là một con đường mà qua đó các electron chạy từ nguồn điện áp hoặc nguồn dòng. “Nguồn” của các electron là điểm mà chúng đi vào mạch. Và điểm mà các electron rời khỏi một mạch điện được gọi là ‘trở lại’ hoặc ‘mặt đất.’ Vì các electron luôn kết thúc tại nguồn khi chúng hoàn thành đường đi của mạch, nên chúng tôi gọi điểm thoát đó là ‘trở lại’.

Tại sao dòng điện quay trở lại?

Dòng điện trở lại vì nguyên lý bảo toàn điện tích và năng lượng. Giả sử dòng điện không quay trở lại nguồn. Rồi sao? Phí sẽ vẫn tăng lên ở một nơi nào đó. Sẽ có mức phí (+) vượt quá tại một nơi và vượt mức (-) ở nơi khác. Sự xáo trộn đó sẽ gây ra những khác biệt tiềm ẩn, đến lượt nó, làm cho dòng điện quay ngược trở lại. Bạn có nhớ Định luật Kirchhoff (định luật thứ nhất)?

Định luật dòng điện của Kirchhoff nói rằng dòng điện đi vào một nút (hoặc một điểm nối) phải bằng dòng điện chạy ra khỏi nó. Nói cách khác, tổng đại số của tất cả các dòng điện vào và ra một nút phải bằng 0, chẳng hạn như:

I (ra khỏi nút) + I (vào nút) = 0

Luật hiện hành của Kirchhoff

Tổng đại số của tất cả các dòng điện vào và ra một nút phải bằng không

Do đó, dòng điện tích thực vào và ra của mọi nút và thành phần trong mạch phải bằng không. Nó ngụ ý dòng điện phải quay trở lại nguồn của nó, bất kể mạch điện là gì. Để hiểu rõ hơn, hãy đọc bài đăng của chúng tôi về lý thuyết mạng để thiết kế và phát triển PCB tốt hơn.

Nếu dòng điện chạy theo vòng lặp và quay trở lại nguồn, bạn sẽ mong đợi dòng điện đi đến cuối dòng và chảy ngược trở lại đường trở về return path. Nhưng toàn bộ quá trình này mất bao lâu? Khi nào bạn có thể thấy dòng điện đi ra khỏi đường trở về return path? Có mất hai giây không? Hay, một giây để đi xuống và một giây để quay lại? Giả sử có một vật liệu điện môi cách điện giữa dây dẫn tín hiệu và dây trở lại. Làm thế nào để dòng điện có thể nhận được từ tín hiệu đến dây dẫn trở lại, ngoại trừ ở đầu xa far end?

Hãy bắt đầu bằng cách suy nghĩ trong mô hình cơ bản, dòng mà dòng điện chạy qua, hãy cho đó là một loạt các tụ điện nhỏ. Dòng điện ban đầu chạy vào đường dây. Khi tín hiệu khởi chạy, nó sẽ nhìn thấy tụ điện. Nếu hiệu điện thế trên tụ không đổi thì dòng điện không chạy qua. Khi tín hiệu đi vào đường truyền, có một sự tích tụ điện áp trên đường tín hiệu và đường trở về return path. Trong thời gian chuyển tiếp này, khi cạnh đi qua, điện áp thay đổi và dòng điện chạy qua tụ điện ban đầu. Khi tín hiệu được phát ra, nó không biết bạn đã lên kế hoạch cho toàn bộ chuyến đi như thế nào và điều đó không quan trọng. Chuyển động tới và lui của dòng điện phụ thuộc vào môi trường tức thời và vùng của đường dây mà điện áp đang thay đổi, tức là nơi có cạnh tín hiệu.

Dòng tín hiệu và đường trở lại của nó trong PCB Đường truyền tín hiệu như một dải tụ điện song song

Dòng điện đi từ nguồn vào dây dẫn và đi qua tụ điện giữa tín hiệu và đường trở về return path, tạo thành một vòng lặp. Khi chuyển tiếp điện áp truyền qua đường dây, vòng dòng điện cũng truyền qua đường dây tải điện. Chúng ta có thể mở rộng mô hình đường truyền để bao gồm phần còn lại của đường dẫn tín hiệu và đường trở về return path với tất cả các tụ điện được phân bố giữa chúng, miễn là điện áp tín hiệu đang thay đổi.

Bất cứ thứ gì làm gián đoạn vòng lặp loop của dòng điện sẽ làm gián đoạn tín hiệu và làm sai lệch trở kháng được kiểm soát, ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của tín hiệu .

Định tuyến đường trở về của dòng điện một cách cẩn trọng!

Nhiều người tưởng tượng những thay đổi trong mạch điện xảy ra ngay lập tức, khi bạn bật công tắc nguồn cho mạch điện và ánh sáng tạo lên chỉ trong một cú chạm. Tương đối dễ có một quan niệm sai lầm vì sự thay đổi của trạng thái vượt quá nhận thức của con người.

Dòng điện chạy qua mạch như thế nào Thay đổi trạng thái của mạch khi có hiệu điện thế

Nhưng trong thực tế, khi một ‘dòng điện xoay chiều’ đi qua mạch, nó sẽ tạo ra một điện trường xung quanh nó. Sau đó, những đường trường này sẽ lan truyền qua các vật dẫn xung quanh và có thể truyền sang các mạch gần đó. Cùng với điều này, mạch của bạn phải đối mặt với sự thay đổi trạng thái đến lượt nó làm phát sinh điện thế và do đó có dòng điện đi qua mạch. Điện trường này tạo ra một trường điện từ xung quanh vật dẫn mà dòng điện chạy qua.

Những thay đổi trong trường điện từ lan truyền rất nhanh nhưng với tốc độ hữu hạn và phải mất một thời gian để những thay đổi trong trường đến được các đầu xa far end của mạch điện của bạn. Do đó, có thể xảy ra trường hợp hai đầu của một trace ở hai trạng thái khác nhau, có điểm chuyển tiếp di chuyển dọc theo chiều dài. Điều này sẽ làm phát sinh dòng điện không mong muốn trong các vật dẫn gần đó.

Vai trò của điện trường và từ trường trong dòng điện.

Dòng điện, điện trường và từ trường

Định tuyến kém có thể dẫn đến nhiễu trong mạch và có thể tạo ra các vấn đề như tính tương thích điện từ, tính nhạy cảm và tạo ra nhiễu điện từ. Do đó, làm giảm hiệu suất tổng thể của mạch.

Tại sao đường trở về của dòng điện lại quan trọng trong thiết kế PCB?

Thiết kế điện tử của Yesteryear rất đáng cân nhắc. Mộ vài schematic tệ và layout không hiệu quả vẫn sẽ tạo ra một số bảng mạch đúng chức năng và có ý nghĩa. Nhưng giờ đây, trong cuộc chạy đua làm cho PCB và chip nhỏ hơn, điện áp hoạt động và biên độ nhiễu của chúng ngày càng giảm. Việc giảm thiểu này là do đó mà các kỹ sư bây giờ cần phải lưu tâm hơn trong các lựa chọn thiết kế của họ.

Tầm quan trọng của đường dẫn trở lại hiện tại trong thiết kế PCB.

PCB tốc độ cao đã nổi lên như một xu hướng.

Không chỉ nhỏ hơn, mà PCB hiện nay ngày càng nhanh hơn. Bây giờ, PCB được thiết kế để hoạt động ở tần số đủ cao để làm giảm hiệu suất của mạch một cách đáng kể. Chúng được gọi là PCB tốc độ cao. Các yếu tố khác bao gồm vật liệu, chiều dài của trace, kích thước của bảng mạch và môi trường.

Mặc dù theo truyền thống, 50MHz trở lên và theo những điểm đã đề cập ở trên, một layout PCB có thể được coi là một thiết kế PCB tốc độ cao. Khía cạnh thú vị của PCBs tốc độ cao là chúng không đi theo con đường có điện trở nhỏ nhất; chúng đi theo con đường có trở kháng nhỏ nhất. Nếu không có layout đường dẫn trở lại đúng, bạn có thể tự thấy có dòng điện lan truyền xung quanh các phần chia cắt split trong plane đất của bạn, dẫn đến mất tính toàn vẹn của tín hiệu.

PCB tốc độ cao và đường dẫn trở về của dòng điện

Cho dù bạn có bao nhiêu kinh nghiệm, bạn có thể quên rằng trở kháng có thể trông giống như điện trở. Nhưng nó không phải. Nó là một biểu thức chung thể hiện sự phụ thuộc vào thời gian và tần số. Nó là một đại lượng phức tạp với một phần ảo (điện kháng) và một phần thực (điện trở).

Vì vậy, bạn có thể có xu hướng bỏ qua phần điện kháng của trở kháng trong các đường trở về return path mạch của bạn và tập trung hoàn toàn vào điện trở. Với sự gia tăng tần số và giảm thời gian tăng/giảm, phần điện kháng của trở kháng trở nên quan trọng hơn trong các đường trở về return path.

Trong một số trường hợp, đường trở về return path của dòng điện có thể được tìm thấy bên dưới dây dẫn. Do đó, bạn nên cung cấp một đường dẫn mong muốn trước khi một đường dẫn ít mong muốn hơn được thiết lập trong mạch của bạn.

Bây giờ chúng ta hãy tiếp tục với cách thực hiện định tuyến trở lại dòng điện PCB tốc độ cao .

Giả sử bạn có một bảng mạch hai mặt, một trace duy nhất ở trên và một mặt phẳng đồng đầy đủ ở dưới cùng. Bảng mạch có hai via kết nối trace với ground plane. Khi đạt đến điểm mong muốn, nó di chuyển đến ground plane qua via và kết thúc tại nguồn của nó một lần nữa thông qua via.

Bảng hai mặt với một mặt phẳng đồng ở phía dưới

Một bảng mạch hai mặt với một trace duy nhất ở trên cùng và một mặt phẳng ground plane kín cùng với hai via

Nhưng câu hỏi đặt ra ở đây là làm thế nào? Dòng điện có thể quay trở lại theo ba con đường nhất định: con đường dễ dàng nhất được biết là để theo dõi lại dòng chảy của nó, con đường trực tiếp. Hoặc, nó có thể di chuyển trong vòng ít diện tích nhất nằm bên dưới trace trên cùng. Nếu không, nó có thể kết hợp cả hai cách để quay trở lại nguồn của nó. Như bạn đã biết bây giờ, dòng điện trở lại nguồn thông qua con đường trở kháng nhỏ nhất.

Chúng ta biết rằng trở kháng (Z) của điện trở bằng giá trị của điện trở (R), chẳng hạn như:

Z = R

Một lần nữa, độ lớn của trở kháng trong cuộn cảm là:

| Z | = ω.L

Trong miền tần số, chúng ta có thể biểu thị trở kháng của cuộn cảm là:

Z = j.ω.L

Do đó, sử dụng lý thuyết mạch tham số gộp, chúng ta có thể thấy trở kháng đất Zg.

Zg = Rg + jωLg

Trong đó Rg và Lg lần lượt là điện trở và độ tự cảm của đường GND

Đối với tần số thấp, dòng điện trên đường đất mà có ít điện trở nhất. Nó đi ngược đường dẫn để đến nguồn, con đường trở kháng thấp nhất.

Đối với tần số cao, dòng điện trên GND sẽ đi theo đường có điện cảm ít nhất. Điều này nằm ngay bên dưới trace vì nó đại diện cho khu vực vòng lặp nhỏ nhất. 

Đường trở lại hiện tại cho PCB tần số cao

Đường trở về của dòng điện ở tần số cao qua đường dẫn điện cảm ít nhất

Ở tần số thấp (1 – 100kHz), dòng điện trở lại chủ yếu chạy qua con đường trực tiếp có điện trở nhỏ nhất. Khi tần số tăng đến 500 – 1000kHz thì dòng điện tách ra giữa hai đường dẫn có điện trở nhỏ nhất và điện cảm nhỏ nhất. Ở tần số cao (10 – 100MHz), phần lớn dòng điện trở lại chảy bên dưới trace trên qua con đường ít điện cảm nhất.

Đối với các trace tín hiệu tần số cao hơn, một cặp vi sai được sử dụng. Lý do cho điều này rất đơn giản: các cặp vi sai mang cả tín hiệu và pha ngược lại của tín hiệu. Do đó, các bức xạ bị triệt tiêu và dòng điện chạy qua bằng không. Do đó, chúng có thể chống lại nhiễu common mode hoặc nhiễu cảm ứng. Lập kế hoạch cẩn thận và có chủ ý về đường trở về return path trên plane đất sẽ ngăn không cho các dòng điện không mong muốn hình thành trong các phần của mạch của bạn ở nơi không nên có.

Đường trở lại hiện tại PCB và tiếng ồn chế độ phổ biến Một cặp vi sai trong PCB để chống lại nhiễu

Đường dẫn trả về dòng điện gián đoạn 

Cho đến nay, bất cứ điều gì chúng ta thảo luận đều là các trường hợp của một mặt đất full/liên tục. Nhưng có thể có những tình huống xảy ra sự gián đoạn trong plane đất. Trong khi thiết kế các đường trở về return path, bạn cũng nên lưu ý các trường hợp có vết cắt, rãnh hoặc có thể là lỗ .Giả sử có một khe slot trong mặt phẳng đất; bạn nghĩ điều gì có thể xảy ra sai?

Đây là loại thông thường rằng một đường trở về return path liên tục và không bị gián đoạn sẽ có khả năng điện từ tốt hơn. Dòng điện sẽ đi dọc theo một vòng mạch kín, do đó làm cho dòng điện kết quả bằng không. Vòng lặp đủ nhỏ/đủ hẹp; đường trở về return path của via microstrip nằm ngay bên dưới plane của trace tín hiệu.

Nhưng sự gián đoạn trên đường trở về return path sẽ làm phát sinh nhiễu. Các lỗ khoét cutout, các khe slot hoặc thậm chí là các lỗ xuyên qua hoặc via, tất cả những thứ này đều có thể gây ra sự gián đoạn trong đường trở về return path. Nó tạo ra một khu vực vòng lặp dòng điện lớn hơn. Điều này làm tăng độ tự cảm của vòng lặp. Do đó, dòng điện sẽ lan ra và cũng có thể đi vào các cạnh, tạo thành một ăng-ten. 

Dòng điện trở lại tần số cao và khe cắm Sự lan truyền của dòng điện trong quá trình quay trở lại do một slot trên plane

 

Dòng điện trở lại tần số cao và dòng cắt Đường quay trở về của dòng điện của mặt phẳng mặt đất có vùng cutout

Dòng trở lại tần số cao với các lỗ thông gió Đường quay trở về của dòng điện của một mặt phẳng với các via, lỗ xuyên

Mọi thứ ảnh hưởng đến dòng tín hiệu hoặc đường dẫn dòng điệ trở về sẽ ảnh hưởng đến trở kháng của tín hiệu. Do đó, đường trở về return path nên được thiết kế cẩn thận giống như đường dẫn tín hiệu. 

Đường trở về của dòng điện trong bảng mạch tín hiệu hỗn hợp

Đường trở lại hiện tại của tín hiệu tương tự và kỹ thuật số Đường trở về của dòng điện trong bảng mạch tín hiệu hỗn hợp

Trong các bảng mạch tín hiệu hỗn hợp, bắt buộc phải lập kế hoạch bố trí các thành phần sao cho tín hiệu tương tự và tín hiệu số không giao nhau. Tham khảo hình trên (bên trái) để biết đường trở về return path của tín hiệu tương tự. Trong trường hợp này, chúng ta thấy rằng khu vực bảng mạch được chia thành các phần số và tương tự, và cả hai phần được kết nối với nhau trong đường stitching ground plane lớp bottom ở trung tâm. Hai plane vẫn sẽ có khớp nối điện dung, cho phép tín hiệu tương tự và số trộn lẫn. Cách tiếp cận tốt nhất là có một mặt phẳng plane duy nhất, như trong hình (bên phải) và đặt các thành phần số và tương tự riêng biệt. Lý do là để ngăn các tín hiệu số đi bên dưới vùng tương tự và gây nhiễu.

Hình dạng trace và mặt phẳng plane bên trong xác định đường dẫn trở về của dòng điện trong layout PCB. Một đường trở về dòng điện return path được lên kế hoạch và thiết kế cẩn thận là rất quan trọng để tránh dòng điện không mong muốn trong mạch. Nên cung cấp via trở lại plane đất và đường dẫn cho tất cả các tín hiệu tốc độ cao đi qua mạch. Một khi nhà thiết kế hiểu được hình dạng và đặc điểm của tín hiệu, việc lập kế hoạch đường trở về cho các tín hiệu sẽ trở nên dễ dàng hơn.

Theo: https://www.protoexpress.com/

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here