Xem mẫu
- Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014)
Ảnh hưởng của nhiễu xuyên kênh đến
chất lượng tín hiệu trong bo mạch tốc độ cao
Tăng Tấn Chiến Bùi Tấn Lộc
Trường Đại học Bách khoa, Công ty TNHH Acronics,
Đại học Đà Nẵng Đà Nẵng
Email: ttchien@ac.udn.vn Email: buitanloc2008@gmail.com
Tóm tắt—Nhiễu xuyên kênh là một loại nhiễu thường lại của các đường mạch trong bo mạch. Bài báo này sẽ
gặp và ảnh hưởng xấu đến các tín hiệu trong các bo mạch phân tích nhiễu xuyên kênh trong các bo mạch tốc độ
tốc độ cao. Nhiễu xuyên kênh giữa hai đường mạch tỉ lệ cao, sử dụng phần mềm Hyperlynx của hãng Mentor
nghịch với khoảng cách của hai đường mạch đó trên bo. Graphics để mô phỏng và từ đó đánh giá kết quả [7], [8].
Nhiễu xuyên kênh là một trong những loại nhiễu cần quan
tâm nhất để đảm bảo tính toàn vẹn của tín hiệu. Muốn II. NHIỄU XUYÊN KÊNH TRONG CÁC BO
giảm thiểu nhiễu xuyên kênh, các nhà thiết kế phải phân MẠCH TỐC ĐỘ CAO
tích và mô phỏng các tín hiệu trên các bo mạch trước
trong và sau khi thiết kế mạch in. Bằng cách sử dụng công A. Nhiễu xuyên kênh
cụ mô phỏng Hyperlynx của hãng Mentor Graphics; bài Nhiễu xuyên kênh là nhiễu do ảnh hưởng của điện
báo này sẽ phân tích, mô phỏng và đưa ra các kết quả để
trường ghép giữa các đường mạch in trong cùng một
thể hiện sự giảm thiểu nhiễu xuyên kênh trong khi thiết kế
các bo mạch in tốc độ cao. lớp mạch in hay giữa hai lớp mạch in kề nhau. Nhiễu
xuyên kênh xảy ra trong thời điểm khi đường mạch in
Từ khóa—Nhiễu xuyên kênh; tính toàn vẹn của tín mang tín hiệu chuyển mạch từ mức cao sang thấp hoặc
hiệu; tín hiệu tốc độ cao; bo mạch; suy hao tín hiệu; phân ngược lại. Trong khoảng thời gian chuyển mạch này,
tích; mô phỏng. đường mạch in mang tín hiệu sẽ gây ra một dòng điện
hoặc điện áp lên trên đường mạch in đặt gần nó. Hiệu
I. GIỚI THIỆU ứng không mong muốn này tác động lên các đường
mạch in mang các tín hiệu quan trọng như tín hiệu đồng
Trong các hệ thống điện tử số, dạng điện áp hoặc
bộ, tín hiệu tốc độ cao làm gây lỗi cho hệ thống [9].
dòng điện được biểu diễn bởi một dãy tín hiệu nhị phân,
với một khoảng cách ngắn và tốc độ bit dữ liệu thấp thì Hai đường mạch in đặt gần nhau luôn xuất hiện điện
một dây dẫn đơn giản có thể truyền nguyên vẹn các tín dung ghép và điện cảm ghép giữa chúng. Vì vậy, nhiễu
hiệu đó từ nguồn đến đích. Tuy nhiên, với một khoảng xuyên kênh phụ thuộc vào hai thông số: sự ghép điện
cách truyền dài và tốc độ dữ liệu cao thì có rất nhiều dung và sự ghép điện cảm giữa các đường mạch in kề
hiệu ứng có thể tác động đến tín hiệu, làm cho tín hiệu nhau [4], [5].
bị suy giảm và gây lỗi cho hệ thống, vì vậy quá trình
phân tích về sự toàn vẹn của tín hiệu là vô cùng quan
trọng trong các bo mạch tốc độ cao [6]. Các hiệu ứng
gây nhiễu này có rất nhiều mức: mức kết nối bên trong
của các IC tích hợp cao đến các chân của chúng, mức
bo mạch in và mức các cổng kết nối đến các bo mạch in
bên ngoài. Trong các mức này ta quan tâm đến mức bo
mạch in, tức là các kết nối từ chip đến chip và từ chip
đến các cổng kết nối [9]. Hình 1. Nhiễu xuyên kênh do ghép điện cảm
Một vài vấn đề liên quan đến tính toàn vẹn của tín Biên độ của nhiễu do sự ghép điện cảm:
hiệu trong mức bo mạch in là: nhiễu phản xạ của tín
hiệu, nhiễu xuyên kênh, nhiễu do nguồn và đất, và các dldriver
vấn đề về EMI. Nhiễu phản xạ xảy ra do không phối hợp VNoise Lm
trở kháng của các đoạn mạch, do ảnh hưởng của đoạn dư dt (1)
thừa, do các điểm kết nối hay do sự gián đoạn của các
cổng kết nối. Nhiễu nguồn đất do nhiễu ký sinh và nhiễu
nền trong hệ thống. Nhiễu xuyên kênh do ảnh hưởng qua
ISBN: 978-604-67-0349-5 470
- Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014)
Hình 2. Nhiễu xuyên kênh do ghép điện dung
Biên độ của nhiễu do sự ghép điện dung:
dldriver Hình 4. Sơ đồ mạch mô phỏng
I Noise Cm
dt (2) - Kịch bản 1: Sử dụng hai đường mạch in đặt kề
nhau trong cùng một lớp.
B. Phân loại nhiễu xuyên kênh
- Kịch bản 2: Sử dụng hai đường mạch in đặt chồng
Xem xét hai đường mạch in như ở hình 1. Đường nhau ở hai lớp kế cận nhau.
mạch in mang tín hiệu chuyển mạch gọi là đường “tác
nhân”, đường mạch in liền kề với đường “tác nhân”, Qua hai kịch bản mô phỏng trên ta sẽ xem xét kết
chịu ảnh hưởng nhiễu xuyên kênh do đường “tác nhân” quả mô phỏng từ đó đưa ra các kết luận.
gây ra gọi là đường “bị tác động”. Đường “tác nhân” A. Khi hai đường mạch in cùng nằm trong một lớp
khi chuyển mạch tạo ra trên đường “bị tác động” hai
Sử dụng cặp đường mạch in tại lớp thứ 20 trong một
loại nhiễu xuyên kênh. Nhiễu xuyên kênh chạy cùng
cấu trúc mạch in gồm 22 lớp. Lớp mạch in thứ 20 này là
hướng với hướng truyền của tín hiệu gọi là nhiễu xuyên
lớp tín hiệu được bố trí giữa hai lớp mặt phẳng nguồn
kênh cùng chiều. Nhiễu xuyên kênh chạy theo hướng
(lớp 19) và lớp mặt phẳng GND (lớp 21). Việc bố trí
ngược lại là nhiễu xuyên kênh ngược chiều [4].
các lớp như thế này làm cho những đường mạch in
trong lớp 20 đảm bảo được trở kháng, chống nhiễu tốt.
Khoảng cách từ lớp thứ 19 đến lớp 20 (lớp tham chiếu
của những tín hiệu trên lớp 19) là h = 4.5 mils (1mil =
0.0254mm).
Tốc độ truyền tín hiệu trên kênh truyền là 10Gb/s.
Độ dài đường mạch in từ bên phát đến bên thu là l = 20
inch.
Hình 3. Các loại nhiễu xuyên kênh Thực hiện mô phỏng với khoảng cách giữa hai
Cả hai loại nhiễu xuyên kênh này có đặc tính và biên đường mạch tăng dần.
độ khác nhau nhưng chúng đều ảnh hưởng đến tín hiệu 1) Kết quả mô phỏng lần 1, kịch bản 1:
và cần phải loại bỏ.
Đường mạch in thứ nhất mang tín hiệu, đường mạch
III. MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU in thứ hai chưa mang tín hiệu:
Trong phần này sử dụng phần mềm HyperLynx của + Lần thứ 1: d = 1 mil< h
hãng Mentor Graphic để mô phỏng và đánh giá nhiễu
xuyên kênh trong bo mạch [8]. + Lần thứ 2: d = 9 mils =2h
Sử dụng mạch mô phỏng như hình 4, với kênh + Lần thứ 3: d = 18 mils = 4h
truyền thứ nhất truyền tín hiệu từ đầu phát (U1) đến đầu
thu (U2). Kênh truyền này truyền tín hiệu chuyển mạch L19_PWR6
- đường “tác nhân”. Kênh truyền thứ hai truyền từ đầu
phát (U4) đến đầu thu (U5). Kênh truyền thứ hai này
chưa có tín hiệu - đường “bị tác động”. Cả hai kênh
truyền đều có model bên phát là hphy_tx.ibs, model bên
thu là stratix_v_gx_rx.ibs. Dựa trên mạch mô phỏng L21_GND6
như trên ta xem xét nhiễu xuyên kênh trong hai kịch bản
mô phỏng [8]. Hình 5. Ảnh hưởng trường điện từ giữa hai kênh truyền
khi khoảng cách giữa chúng là 1mil
ISBN: 978-604-67-0349-5 471
- Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014)
1000.0 1000.0
V [U1.1 (at pin) / U1.2 (at pin)]
800.0
800.0
600.0
600.0
400.0
400.0
V 200.0
o
l
V 200.0 t
o a
g -0.00
l e
t m
-
a
g -0.00 V-
e -200.0
-
m
V
-
-200.0
-400.0
-400.0 -600.0
-600.0 -800.0
-800.0 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00 350.00 400.00
Time (ps)
-50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00 350.00 400.00
Time (ps)
Hình 7. Giản đồ mắt của tín hiệu trên đường thứ nhất tại đầu thu
Hình 6. Giản đồ mắt của tín hiệu trên đường thứ nhất tại đầu phát khi khoảng cách giữa chúng là 1mil
khi khoảng cách giữa chúng là 1mil
BẢNG 1. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG LẦN 1, KỊCH BẢN 1
Khoảng
Độ dài cách Positive
Tốc Max Min Negative Eye Eye
đường giữa 2 Đường Truyền / Oversh
độ Peak-to-peak peak peak Overshoot width Height
mạch đường mạch Nhận oot
bit (mV) (mV) (mV) (ps) (mV)
(inch) mạch (mV)
(mils)
Truyền 1.32 V 665.2 -651.1 195.4 183.6 90.726 658.9
Đường 1
Nhận 1.09 V 586.6 -499.5 274.3 232.7 34.602 125
1
Truyền 185.1 mV
Đường 2
Nhận 126.4 mV
Truyền 1.35 V 676.4 -676.4 204.8 205.9 90.747 650.1
Đường 1
Nhận 1.12 V 586.8 -531.1 234.3 210.7 51.022 228.6
10G 20 9
Truyền 13.38 mV
Đường 2
Nhận 3.57 mV
Truyền 1.35 V 676.5 -676.5 204.9 206 90.743 650.1
Đường 1
Nhận 1.12 V 586.8 -531.2 234.2 210.7 51.051 228.8
18
Truyền 1.78 mV
Đường 2
Nhận 890.613 uV
Kết quả: Dựa vào kết quả ở bảng 1, ta thấy khi đường nhận. Khi khoảng cách giữa hai đường tăng thì
khoảng cách hai đường là 1 mil thì đường thứ 2 tuy nhiễu xuyên kênh giảm dần biên độ.
không mang tín hiệu nhưng xuất hiện nhiễu với biên độ
lên đến 185.1 mV trên đường truyền và 126.4 mV trên 2) Kết quả mô phỏng lần 2, kịch bản 1:
ISBN: 978-604-67-0349-5 472
- Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014)
Cả hai đường mạch in đều mang tín hiệu. Kết quả: Tương tự như kết quả mô phỏng lần thứ nhất,
khi khoảng cách giữa hai đường truyền càng xa dần thì
Thực hiện tương tự với các khoảng cách đường nhiễu xuyên kênh giữa hai đường truyền giảm dần.
mạch in như lần 1.
BẢNG 2. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG LẦN 2
Khoảng
Độ dài cách
Tốc Max Min Positive Negative Eye Eye
đường giữa 2 Đường Truyền / Peak-to-
độ peak peak Overshoot Overshoot width Height
mạch đường mạch Nhận peak
bit (mV) (mV) (mV) (mV) (ps) (mV)
(inch) mạch
(mils)
Truyền 1.23 V 627.7 -604.5 159.4 144.3 88.106 691.2
Đường 1
Nhận 1.05 V 586.9 -467.2 286.9 306.8 1.187 3.31
1
Truyền 1.27 V 683.1 -582.1 212.8 119.9 87.759 697
Đường 2
Nhận 1.08 V 586.7 -493.1 291.9 241.8 2.476 7.42
Truyền 1.35 V 672 -673.5 200.7 203.8 90.715 650.9
Đường 1
Nhận 1.12 V 586.8 -529.9 234.6 209.6 51.027 228.3
10G 20 9
Truyền 1.35 V 675.8 -671.5 204.2 201.5 90.679 649.9
Đường 2
Nhận 1.12 V 586.7 -531.6 234.5 211.2 51.105 229
Truyền 1.35 V 676.3 -676.4 204.6 205.9 90.74 650.1
Đường 1
Nhận 1.12 V 586.8 -531.2 234.2 210.6 51.089 229
18
Truyền 1.35 V 676.4 -676.2 204.7 205.8 90.736 648.8
Đường 2
Nhận 1.12 V 586.7 -531.3 234.1 210.7 51.13 229.3
B. Khi hai đường mạch in nằm trong 2 lớp kế cận nhau 1) Kết quả mô phỏng lần 1, kịch bản 2:
Sử dụng mạch in gồm 10 lớp. Đường mạch in thứ Đường mạch in thứ nhất mang tín hiệu, đường
nhất nằm trên lớp thứ 7, đường mạch in thứ hai nằm mạch in thứ hai chưa mang tín hiệu.
trên lớp thứ 8. Hai lớp tín hiệu thứ 7 và 8 này được đặt
ở giữa lớp 6 (mặt phẳng nguồn) và lớp 9 (mặt phẳng + Lần thứ 1: d = 0 mil trùng nhau
GND). Khoảng cách giữa lớp 7 và 8 là 4.5 mils, khoảng + Lần thứ 2: d = 13.5 mils
cách giữa lớp 7 và lớp 6, giữa lớp 8 và lớp 9 là 4.2 mils.
+ Lần thứ 3: d = 27 mils
Tốc độ truyền tín hiệu trên kênh truyền là 10Gb/s
Độ dài đường mạch in từ bên phát đến bên thu là l =
5 inch.
Thực hiện mô phỏng với khoảng cách giữa hai
đường mạch tăng dần:
ISBN: 978-604-67-0349-5 473
- Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014)
L6_PWR
Hình 8. Ảnh hưởng trường điện từ giữa hai kênh truyền
khi khoảng cách giữa chúng là 4.5 mils
L9_GND
BẢNG 3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG LẦN 1, KỊCH BẢN 2
Khoảng
Độ
cách
Tốc dài Max Min Positive Negative Eye Eye
giữa 2 Đường Truyền / Peak-to-
độ đường peak peak Overshoot Overshoot width Height
đường mạch Nhận peak
bit mạch (mV) (mV) (mV) (mV) (ps) (mV)
mạch
(inch)
(mils)
Truyền 1.44 V 711.5 -723.9 210.8 224.2 82.444 804.8
Đường 1
873
Nhận 1.20 V 599.3 -599 79.88 87.25 89.461
.4
0
Truyền 296.1 mV
Đường 2
Nhận 100.6 mV
Truyền 1.45 V 719.2 -728.1 211.5 223.9 82.073 827.2
Đường 1
Nhận 1.22 V 612.4 -603.1 84.17 83.82 89.239 893.3
10G 5
13.5
Truyền 141.6 mV
Đường 2
Nhận 69.04 mV
Truyền 1.47 V 729.8 -736.9 217.8 225.6 81.895 843.9
Đường 1
Nhận 1.24 V 622.2 -617.7 86.82 88.97 89.205 915.2
27
Truyền 23.33 mV
Đường 2
Nhận 11.09 mV
Nhận xét: Khi hai đường truyền đặt chồng lên nhau thì
nhiễu xuyên âm càng lớn. Như trong bảng 3, đường Cả hai đường mạch in đều mang tín hiệu.
truyền thứ hai chưa có tín hiệu nhưng chịu nhiễu từ
đường truyền thứ nhất có biên độ nhiễu lên đến 296.1 Nhận xét: Trong trường hợp cả hai đường đều mang tín
mV với bên phát và 100.6 mV với bên thu. Khi ta tăng hiệu, nhiễu xuyên kênh vẫn tác động qua lại giữa hai
khoảng cách các kênh truyền này thì biên độ của nhiễu đường. Điều này làm cho tín hiệu tại đầu phát và thu
xuyên kênh giảm dần. của hai đường truyền đều bị nhiễu. Khi khoảng cách
giữa hai đường càng xa thì nhiễu xuyên kênh giữa hai
kênh càng giảm.
2) Kết quả mô phỏng lần 2, kịch bản 2:
ISBN: 978-604-67-0349-5 474
- Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014)
BẢNG 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG LẦN 2, KỊCH BẢN 2
Khoảng
Độ dài cách
Tốc Max Min Positive Negative Eye Eye
đường giữa 2 Đường Truyền /
độ Peak-to-peak peak peak Overshoot Overshoot width Height
mạch đường mạch Nhận
bit (mV) (mV) (mV) (mV) (ps) (mV)
(inch) mạch
(mils)
Truyền 1.57 V 778.4 -789.9 216.5 226.2 81.901 964.9
Đường 1
Nhận 1.25 V 628.1 -621.9 93.63 95.29 88.935 901.2
0
Truyền 1.57 V 779 -787.8 213.7 220.7 82.583 975.8
Đường 2
Nhận 1.25 V 629.5 -623.5 95 96.89 89.052 890.4
Truyền 1.40 V 682.1 -721.3 198.9 242.1 81.867 736.2
Đường 1
Nhận 1.20 V 611.6 -587.2 92.65 74.57 89.324 869.6
10G 5 13.5
Truyền 1.38 V 700 -680.6 214.6 195.5 82.757 739.6
Đường 2
Nhận 1.21 V 597.9 -612.4 77.75 100.2 89.813 863
Truyền 1.46 V 724.1 -734 216.3 227.1 81.872 828.4
Đường 1
Nhận 1.24 V 621.8 -614.5 87.45 86.3 89.269 914.2
27
Truyền 1.45 V 720.8 -724.3 208.9 213.4 82.574 843.2
Đường 2
Nhận 1.23 V 615.7 -617.1 81.44 89.61 89.461 907
IV. KẾT LUẬN
Khi thiết kế mạch in tốc độ cao, các vấn đề về nhiễu
- Các linh kiện có các kết nối tốc độ cao thì nên
luôn phải được xem xét. Nhiễu xuyên kênh là một trong
được đặt gần nhau để giảm thiểu khoảng cách của
những loại nhiễu ảnh hưởng tới mạch in và cần phải
đường truyền.
được loại bỏ. Khi khoảng cách giữa các đường truyền
càng xa thì nhiễu xuyên kênh càng giảm thiểu. Vì vậy - Các đường truyền nằm trên hai lớp khác nhau
trong khi đi dây cho các đường mạch tốc độ cao thì phải nhưng không có lớp mặt phẳng tham chiếu ở giữa thì
thực hiện như sau [1], [2], [3]: nên được đi vuông góc với nhau để triệt tiêu nhiễu
xuyên kênh, tránh những trường hợp đi song song với
- Đường truyền tốc độ cao phải được bố trí ưu tiên
nhau quá dài.
nhất trong các đường mạch, nên đi dây các đường
truyền này trên những lớp ở dưới cùng của bo mạch in - Không đi các đường dây mang tín hiệu tương tự
để giảm thiểu đoạn dư thừa. Phải được tham chiếu đầy băng qua vùng đi dây của tín hiệu tốc độ cao vì chúng
đủ lên các lớp mặt phẳng để đảm bảo được sự phối hợp sẽ làm can nhiễu lên nhau. Các đường mạch tốc độ cao
trở kháng. cũng nên được tránh xa các nguồn nhiễu trên bo như: bộ
nguồn, các tín hiệu RF, tín hiệu đồng bộ,…
- Khoảng cách giữa hai đường truyền cùng trên một
lớp càng xa càng tốt, tối thiểu là phải được gấp ba lần Thực hiện tốt các bước trên thì tín hiệu trên các
khoảng cách giữa đường truyền tới mặt phẳng tham đường truyền sẽ đảm bảo được tính toàn vẹn của nó, tuy
chiếu gần nhất. nhiên vấn đề đặt ra là phải tính toán sao cho kích thước
của bo mạch in được tối thiểu hóa.
ISBN: 978-604-67-0349-5 475
- Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014)
[5] Howard W. Johnson and Martin Graham, High-Speed Digital
TÀI LIỆU THAM KHẢO Design: A Handbook of Black Magic, Prentice Hall, New Jersey,
[1] Altera Corporation, High-Speed Board Layout Guidelines, 1993.
Application note 224, Ver.1.2, 2009. [6] Kraig Mitzner, Complete PCB Design Using OrCad Capture and
[2] Altera Corporation, High-Speed Board Designs, Application Layout, Newnes, USA, 2007.
note 75, Ver.4.0, 2001. [7] Mark Glenewinkel, System Design and Layout Techniques for
[3] Altera Corporation, Via Optimization Techniques for High- Noise Reduction in MCU-Based Systems, Motorola Application
Speed Chanel Designs, Application note 529, Ver.1, 2008. note, 1995.
[4] Douglas Brooks, Differential Trace Design Rules Truth vs [8] Mentor Graphics, HyperLynx Signal Integrity Analysis, Mentor
Fiction, UltraCAD Design, 2002. Graphics, USA, 2005.
[9] Stephen C. Thierauf, High-Speed Circuit Board Signal Integrity,
Artech House, London, 2004.
ISBN: 978-604-67-0349-5 476
nguon tai.lieu . vn
