Những điều cần lưu ý khi thiết kế mạch hoạt động ở tần số cao

0
5746

Bài viết này sưu tầm các tài liệu sẵn có trên internet.

Các vấn đề cơ bản

Những điều cần biết khi thiết kế mạch hoạt động ở tần số cao (hoặc trong mạch có các đường dây tín hiệu – đường dây truyền nhận dữ liệu chạy ở tần số cao)
Mạch hoạt động ở tần số cao, nếu PCB thiết kế không tốt sẽ gây ra nhiễu, khiến dữ liệu truyền đi trên board bị suy hao hoặc sai lệch, nhiều khi mạch hoạt động không ổn định, thậm chí là chạy sai hoàn toàn.

Ví dụ: Xem xét một dây dẫn đơn mang dòng AC, Hình 14, electric coupling yếu hoặc không có electric coupling sẽ cho phép sóng điện từ ngang (TEM wave – transversal electromagnetic wave) sinh ra bởi dòng điện, tản môi trường bên ngoài, gây ra nhiễu trường điện từ EMI nghiêm trọng.

Giả sử có một dây dẫn thứ 2, ở gần dây cũ, mang một dòng điện y chang dây 1 nhưng ngược chiều. Trong trường hợp này, từ trường của 2 dây bị triệt tiêu, và điện trường được liên kết chặt chẽ (tightly couple).TEM waves của 2 dây bị triệt tiêu, không tản ra môi trường ngoài. Phần trường tản nhỏ chỉ có thể liên kết với nhau ở xa. Vì vậy, nhiễu EMI nhỏ đi rất nhiều.
Do đó, đối với các mạch tần số cao, hoặc ít nhất là trên mạch có các đường dây truyền tín hiệu với tần số cao, thì việc thiết kế layout và đi dây cho nó trở nên quan trọng vô cùng.
Đối với mạch chạy tần số thấp, khi thiết kế PCB, vẫn nên tuân theo các hướng dẫn trong tài liệu sau (giảm thiểu nhiễu EMI, đảm bảo mạch hoạt động ổn định).

Nhiễu EMI là gì?

Nhiễu điện từ (EMI, còn được gọi là nhiễu tần số vô tuyến điện hoặc RFI) là một rối loạn có ảnh hưởng đến một mạch điện do cảm ứng điện hoặc bức xạ điện từ phát ra từ một nguồn bên ngoài. Các nhiễu này có thể gây cản trở, ngắt quãng, hoặc làm suy hao tín hiệu. Nguồn nhiễu có thể là bất kỳ đối tượng nào, nhân tạo hoặc tự nhiên.

Tần số hoạt động

Với những board mạch digital hoạt động ở tần số từ 150Mbps trở xuống (hay là thời gian lên –rise time và xuống –fall time của tín hiệu lớn hơn 1ns), và các đường mạch có độ dài tới 10 inches thì có thể dùng board FR-4 (thuỷ tinh – epoxy) để làm PCB.

Ðường dây truyền tải có trở kháng điều khiển được

– Là đường dây có trở kháng Z0 có thể được điều khiển dựa vào thay đổi vào cấu trúc hình học của đường mạch (trace)
– Thường được dùng để phối hợp các trở kháng ở các mối nối trung gian trong đường dây truyền tải, ví dụ nhu giữa cáp và đầu jack, để giảm thiểu tổn hao tín hiệu.
– Đối với Digital Isolators, các đường mạch được điều khiển trở kháng sao cho gần bằng trở kháng ra (Z0~r0) – theo định lí phối hợp trở kháng nguồn.

Tầm quan trọng của việc phủ mass (phủ GND)

Khi layout 2 lớp, mặt BOTTOM nên đi ít dây hơn, và phần lớn diện tích ở mặt BOTTOM nên được phủ mass. Vì phần mass sẽ đóng vai trò như một đường phản hồi(return path) triệt tiêu các tín hiệu gây nhiễu.
(Thật ra, để thực hiện các PCB chạy ở tần số cao, giảm nhiễu, ta cần PCB ít nhất có 4 lớp, tuy nhiên hiện nay việc làm mạch với số lượng nhỏ ở ta chỉ mới thuận lợi đối với các PCB 2 lớp)

Ý nghĩa của các loại tụ trong việc giảm nhiễu EMI:

– Tụ bulk: tụ điện dung lớn, gọi là bulk capacitors, (vd 10 uF), gần nguồn cung cấp, chẳng hạn tại chip ổn áp nguồn (voltage regulator), hay tại nơi cấp nguồn vào PCB : để ổn áp cho nguồn.

EMI suppression filters | Murata Manufacturing Co., Ltd.


– Tụ Decoupling: như là một nguồn sạc tại chỗ (local source of charge) cung cấp cho các ICs cần một dòng điện đáng kể để đáp ứng hoạt động chuyển mạch nội. Thiếu tụ decoupling có thể gây ra thiếu dòng cung cấp cho IC để nó hoạt động bình thường, hậu quả là tín hiệu không được bảo toàn (bị suy hao), xảy ra lỗi dữ liệu.

Decoupling capacitor - Wikipedia


– Tụ bypass: tụ có điện dung nhỏ hơn, gọi là bypass capacitors (0.1 uF hoặc 0.01 uF) tại các linh kiện.

Các tụ Bypass có giá trị khác nhau, mắc song song để lọc khoảng rộng các nhiễu ở tần số khác nhau:

Bypass Capacitor Tutorial Multiple Bypass Capacitors

Tham khảo https://www.electronicshub.org/bypass-capacitor-tutorial/#What_is_a_Bypass_Capacitor

Góc đi dây

Nên đi dây với góc 45 hay 135 độ mà không đi dây bẻ vuông góc
Vì góc 90 độ tăng bề rộng thực sự của đường → tăng trở kháng → sai lệch trở kháng, dẫn tới bị phản xạ nhiều hơn.

Không nên đi đường tín hiệu trên nhiều lớp (layer)

Khi đi các đường tín hiệu, cần tránh thay đổi layer (tránh đi các traces tín hiệu trên nhiều layer khác nhau) vì nó sẽ dẫn tới tăng hệ số hỗ cảm của đường tín hiệu=> tăng nhiễu EMI
Nếu không thể tránh khỏi việc đi dây tín hiệu xuyên qua nhiều lớp, phải liên kết mỗi via của đường tín hiệu với một via của đường return-trace. Trong trường hợp này, sử dụng kích thước via nhỏ nhất có thể để sự tăng hệ số hỗ cảm là ít nhất.

Chống nhiễu board mạch điện tử

Khái niệm về nhiễu board mạch

Nhiễu (noise) trong thiết kế mạch điện tử là các loại tín hiệu tạp chất được sinh ra một cách ngẫu nhiên gây ảnh hưởng xấu tới  tín hiệu thông tin . Có hai loại nhiễu board mạch được chú ý là nhiễu bức xạ ( Radiation noise) và nhiễu thu nhận ( reception noise). Nhiễu bức xạ là loại nhiễu do chính thiết bị hoặc mạch điện đó gây ra còn nhiễu thu nhận là loại nhiễu  do thiết bị hoặc mạch điện đó nhận được khi hoạt động gần các nguồn nhiễu.

Hai loại nhiễu được quan tâm trong mạch PCB

Khái niệm nhiễu thường đi chung với khái niệm EMC(Electromagnetic  compatibility) – khả năng tương thích điện từ mà được hiểu là gồm 2 loại: nhận điện từ – EMI(Electromagnetic interference) và miễn nhiễm điện từ -EMS(Electromagnetic Susceptibility). Việc giảm nhiễu là việc phải kết hợp giải quyết 2 vấn đề là giảm EMI và tăng EMS.

Kết hợp đồng thời khử Radiation noise và Reception noise

Chống nhiễu board mạch để làm gì?

Trong việc thiết kế mạch điện tử, nhất là mạch điện tử tốc độ cao thì việc chống nhiễu là việc cần phải lưu ý và phải làm từ khâu khởi tạo dự án. Chúng ta không thể đợi khi đã thiết kế mạch xong rồi mới bắt đầu kiểm tra nhiễu vì muốn cải tạo bất cứ gì thì sẽ phải thay đổi lại toàn bộ thiết kế làm tốn thời gian thiết kế, làm mạch và chi phí đặt mạch.

Nhiễu không thể mô phỏng trước được vì nó mang tính ngẫu nhiên do thiết kế. Việc tính toán khử nhiễu là tương đối khó khăn đối với người không có kinh nghiệm nên đòi hỏi người làm mạch phải có những kiến thức nhất định trong thiết kế mạch. Một điều đáng lưu tâm nữa là khi kết hợp quá nhiều phương pháp khử nhiễu trên một mạch điện PCB  có thể khiến bạn mất một chi phí  khá lớn vượt qua chi phí dự trù ban đầu để tạo ra thiết bị đó. Do vậy việc cần làm là khử nhiễu một cách có hiệu quả vừa đủ để thiết bị hoạt động ổn định và tiết kiệm chi phí.

Nhiễu board mạch do đâu?

Các cuộn cảm ẩn và tụ điện ẩn là các cảm kháng ảo tồn tại trong mạch điện PCB ( printed circuit board) là một trong các nguyên nhân gây nhiễu. Các thành phần cảm kháng này tồn tại giữa hai đường mạch hoặc là giữa hai lớp chất liệu đối với mạch nhiều lớp.

Sự tồn tại của các tụ ẩn và cuộn cảm ẩn trong một mạch PCB

Do quá trình thiết kế PCB, người thiết kế đã tiến hành đi hai hay nhiều dây tín hiệu song song quá gần với nhau  hoặc do đặc trưng của board mạch in PCB mà có thể tạo  ra các giá trị khác nhau của tụ điện ẩn và cuộn cảm ẩn, những thành phần này góp phần vào gây ảnh hưởng qua lại tín hiệu từ đường mạch in này lên đường mạch in khác:

Ảnh hưởng của tín hiệu A lên tín hiệu B

Chống nhiễu board mạch như thế nào

Bởi vậy, tại bước đầu tiên của làm mạch in PCB, người thiết kế phải chú tâm tới khoảng cách giữa các dây tín hiệu và độ dày, chất liệu của board mạch in. Đối với các công ty làm mạch in PCB, có một khuyến cáo là thiết bị CNC của họ có thể đi được các đường dây có khoảng cách tối thiểu là bao nhiêu, với độ dày là bao nhiêu. Người làm mạch cần nghiên cứu kĩ điều này trước khi đặt mạch tại các công ty làm mạch để tránh phải vẽ lại thiết kế do nhà làm mạch không thể đáp ứng được yêu cầu, mỗi lần vẽ lại sẽ rất mất thời gian. Ví dụ: công ty KimSonpcb là một công ty làm mạch lớn tại HCM có quy cách mạch in khuyến cáo là đường mạch tối thiểu 8mil, khoảng cách hai đường mạch tối thiểu 8mil.

Tuy nhiên chúng ta nên đi dây khoảng cách và kích thước lớn hơn 10mil để hạn chế lỗi mạch, như thế sẽ tốt hơn.

Kích thước đường mạch càng nhỏ thì càng ít nhiễu nhưng phải đảm bảo đường mạch chịu được dòng điện theo thiết kế, khoảng cách giữa các đường mạch càng rộng càng tốt.

Công cụ trên trang web cho phép ta tính toán các chỉ số cần thiết khi thiết kế mạch như: tính hệ số nhiễu giữa hai đường mạch có bề rộng W hoặc tính bề rộng tối thiểu đường mạch để chịu được dòng A(Ampere).

Lỗ xuyên via cũng là một trong các nguyên nhân gây nhiễu và lỗi  trong mạch PCB. Trong thiết kế chúng ta nên hạn chế tạo lỗ via ít nhất có thể. Điều này là phụ thuộc vào trình độ của người thiết kế.

Các phương pháp khử nhiễu board mạch

Các loại nhiễu thường gặp

Nhiễu do ảnh hưởng giữa hai đường tín hiệu

Nhiễu do ảnh hưởng qua lại của tín hiệu bị gây ra do sự thay đổi đột ngột mức điện áp của tín hiệu A làm tín hiệu B cũng bị ảnh hưởng theo. Loại nhiễu này phát sinh do các thành phần cảm  kháng ẩn như đã trình bày ở trên.

Nhiễu làm biến dạng tín hiệu

Một tín hiệu A được tạo thành bởi một linh kiện, nhưng trên đường truyền, trở kháng ở đầu ra của linh kiện đó và đầu vào của linh kiện khác có sự khác nhau sẽ gây ra hiện tượng phản xạ sóng tại linh kiện nhận. Sóng phản xạ sẽ  gây chồng lấp lên tín hiệu chính và gây biến dạng tín hiệu. Đây cũng chính là nguyên nhân chúng ta phải phối hợp trở kháng để đảm bảo tín hiệu thông tin được toàn vẹn nhất.

Nhiễu do nguồn không ổn định

Nguồn điện cung cấp cho mạch điện đôi khi không ổn định cũng gây ảnh hưởng xấu tới mạch điện. Lúc này các tụ lọc là thực sự cần thiết để ổn định nguồn.  Đối với tín hiệu tần số cao, tụ điện đóng vai trò như một điện trở và giá trị điện trở đó phụ thuộc và điện dung tụ và tần số tín hiệu. Công thức được mô tả:

Ví dụ đối với tín hiệu có tần số100Mhz, tụ có điện dung 10pF có trở kháng là  Zc=170(Ohm)

Đáp ứng trở kháng của tụ điện 10pF

Bảng sau cho ta biết mức độ đáp ứng trở kháng của các giá trị tụ khác nhau đối với các tần số khác nhau của hệ thống.

Đáp ứng trở kháng của tụ điện với các giá trị tần số khác nhau.

Từ đó chúng ta có thể chọn các loại tụ khác nhau để lọc nhiễu cho các ứng dụng khác nhau,đối với nguồn cấp gần IC hoặc các ngoại vi thì dùng tụ cỡ 0.01-0.1uF nối giữa VCC và GND cho ta kết quả tốt nhất.  Vì nó sẽ làm giảm trở kháng đường dây nguồn IC ở khoảng tần số cỡ MHZ. Còn đối với nguồn chính thì nên dùng tụ lọc có giá trị lớn hơn khoảng tầm 1-100uF để khử các thành phần răng cưa thường thấy ở đường nguồn. Nhưng không nên dùng tụ có giá trị quá lớn vì dòng khởi động có thể gây nguy hại cho mạch PCB khi cấp nguồn.

Các công dụng thực tế của từng giá trị tụ điện trong mạch PCB

Các phương pháp khắc phục nhiễu

Điều chỉnh giá trị của tụ và trở lọc nhiễu cho bộ tạo dao động thạch anh

Điều chỉnh giá trị của tụ và trở lọc nhiễu

Trước tiên là nếu như có thể thì hãy chọn thạch anh có tần số nhỏ nhất mà đáp ứng được yêu cầu thiết kế bởi vì tần số càng cao thì chỉ số EMI càng lớn, nhiễu càng dễ xảy ra. Sau đó chúng ta có thể tham khảo sơ đồ khử nhiễu như trên, điều chỉnh các giá trị tụ C1, C2 và R2 để có kết quả tín hiệu tốt nhất. Thông thường thạch anh có giá trị tầm Mhz thì tụ có giá trị tầm pF. Một điều nữa là thạch anh nên đặt càng gần IC càng tốt.

Chọn IC dán QFP thay vì IC nổi DIP

Có một điều được khuyến cáo là IC dán cho kết quả chống nhiễu board mạch tốt hơn là IC DIP vì vậy nếu có IC tương đương dạng QFP, hãy sử dụng chúng. Việc sử dụng các linh kiện chân cắm là 1 trong những nguyên nhân nhạy nhiễu cho các hệ thống cũ. Các chân cắm linh kiện đóng vai trò là các anten thu nhận nhiễu. Các ứng dụng đảm bảo EMI luôn sử dụng tối ưu các linh kiện chân dán để giảm nhiễu bức xạ không mong muốn.

Chọn IC tích hợp single-chip thay vì chọn một IC và một ngoại vi mở rộng khác

Chọn IC tích hợp single-chip

Nguyên nhân của việc chọn này rất đơn giản, vì các dây tín hiệu nối giữa hai linh kiện là một thành phần gây nhiễu không hề nhỏ khi thi công. Nên nếu có thể thì hãy chọn loại IC đã tích hợp (single-chip).

Chọn nguồn cung cấp có giá trị nhỏ nếu IC có thể chạy được

Chọn nguồn cung cấp có giá trị nhỏ

Đây là một cách tương đối đơn giản, bởi vì công suất nhiễn tỉ lệ với bình phương biên độ điện áp :P=VI=V2Z. Bởi vậy thay vì dùng nguồn 5V và dùng nguồn 3.3V thì sẽ giảm một lượng nhiễu đáng kể( thông thường việc làm giảm được 57% nhiễu). Các hệ thống 5V được thay thế dần bằng 3.3V, trong các ứng dụng DSP, người ta đã sử dụng VCC 2.8V hoặc 1.6V.

Lọc nhiễu bằng bộ lọc LC

Lọc nhiễu bằng bộ lọc LC

Đây là một cách phổ biến được dùng hiện nay, cuộn Ferrite bead có chức năng chặn cao tần và tụ thì có chức năng làm mượt tín hiệu. Tuy nhiên cần chú ý là không đặt ferrite bead tại đường tín hiệu có tần số cao hoặc là đường clock vì cuộn ferrite có thể gây mất tín hiệu trên đường truyền. Thông thường người ta đặt ferrite bead tại đường nguồn của thiết bị. Việc này cũng góp phần làm cho IC và các linh kiện trong mạch bớt nóng hơn.

Sử dụng linh kiện phụ trợ

Các điện trở damping đóng vai trò quan trọng trong việc triệt tiêu các xung nhiễu trong mạch số. Các điện trở này có giá trị thấp và được mắc nối tiếp với đường tín hiệu trong mạch để giảm thiểu các tác nhân sóng hồi tiếp không mong muốn.

Hạn chế nhiễu bằng chính quy trình thiết kế PCB

Cách này phụ thuộc vào trình độ của  người thiết kế, có một vài lưu ý theo quan điểm người viết:

– Đi dây có ít lỗ xuyên Via nhất

-Đi dây lớn hơn với đường nguồn và nhỏ hơn với đường tín hiệu, ví dụ đối với nguồn 5V thì đường nguồn 40mil và đường tín hiệu 10mil là ổn.

-Hạn chế đường tín hiệu bẻ góc 90 độ, nếu có thì hãy làm mượt nó

-Giữa tụ bypass nguồn của IC không nên đi xuyên via mà hãy đi via ở sau tụ

-Không được đi dây dưới thạch anh dao động

-Các đường tín hiệu tốc độ cao đặt ở trung tâm mạch in, tránh xa các góc mạch in

-Định nghĩa chức năng cho các khối linh kiện: Các linh kiện phải được phân thành các lớp như: Analog sensor, digital low speed, digital high speed, power elements và sắp xếp chúng thành 1 nhóm. Tất cả các linh kiện cùng nhóm phải đặt gần nhau và đường mạch in phải tối ưu hóa về độ dài. Khoảng cách linh kiện phù hợp để có thể tích hợp tụ by pass.
– Đặt các cổng mở rộng I/O cách xa thạch anh và các khu vực hoạt động tần số cao.
– Tụ Bypass phải đặt gần VCC và GND hết sức có thể, đường mạch vừa đủ lớn để cấp đủ dòng cho hệ thống. Tín hiệu nguồn phải qua tụ trước khi vào vi điều khiển. Trong trường hợp yêu cầu cao hơn, các thiết kế phải tích hợp nhiều tụ song song với nhau để đảm bảo EMC.

– Ngoài ra, việc layout các tụ bypass cũng phải chú ý để giảm thiểu ảnh hưởng của việc gia tăng trở kháng. Cụ thể được diễn tả qua hình ảnh sau đây

Ảnh hưởng lỗ via đến trở kháng


– Đặt các đường mạch GND và VCC đối xứng nhau qua 2 bên PCB để giảm nhiễu điện từ trường phát sinh

-Để thực hiện giảm nhiễu EMI, các phương pháp thay thế các giao tiếp song song thành giao tiếp nối tiếp:


-Thực hiện các đường via đảm bảo đường đi hợp lý cho tín hiệu



-Sau khi thiết kế, phủ mass GND toàn mạch là việc làm cần thiết.

-Một vòng mạch kín cũng tạo nên một từ trường H, và nếu như vòng mạch kín càng lớn thì từ trường H này càng cao.

1

Và biện pháp là chúng ta sẽ bố trí các IC đồng hướng với nhau, ở giữa 2 IC nên đặt một tụ lọc ở đó, như vậy  2 vecto từ trường H đã ngược hướng (cùng phương khác chiều) và sẽ bị triệt tiêu lẫn nhau không còn gây nhiễu nữa!

2

-Để cho các thành phần linh kiện trong mạch không gây nhiễu cho nhau, thì rất cần thiết phải có sự cách ly phù hợp. Ví dụ khối nguồn gây nhiễu cao, trong khi đó các khối analog, digital cần có sự bảo vệ. Trong trường hợp này, bố trí linh kiện theo từng khối là điều nên làm, và giữa các khu vực này nên có sự cách ly phù hợp.

4

-Không chỉ cách ly về mặt “địa lý” như hình trên, mà còn cần thiết phải cách ly về mặt “điện”. Giải pháp “Point Ground ” sẽ là một sự lựa chọn phù hợp. Các vùng MASS của các khối trên chỉ tiếp xúc với nhau qua một điểm kết nối duy nhất, do vậy nhiễu tồn tại trong khối này sẽ khó mà lan truyền dễ dàng sang các khối khác.

5

Vài hình ảnh khác trên Internet:

RF PCB design layout and recommendations

Tham khảo: https://www.payitforward.edu.vn/, https://ahtlab.com/, https://elec2pcb.com/

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here