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Stratégies de conception pour la diaphonie entre deux lignes micro-ruban parallèles sur PCB basées sur l’analyse par simulation
Selon la théorie électromagnétique, la diaphonie désigne le découplage électromagnétique entre deux lignes de signal. Il s’agit d’un type de bruit causé par la capacité mutuelle et l’impédance mutuelle entre les lignes de signal.
Dans la Figure 1, parmi les deux lignes parallèles, une ligne possède une source de signal (VS) et impédance interne (ZOG) à une extrémité de la ligne et impédance de charge (ZLG) à l’autre, formant une boucle fermée à travers la terre. L’autre ligne n’a que de la résistance (ZOUet ZLR) avec une structure de fil unique relié à la terre. Dans cette figure, le conducteur avec la source de signal est appelé ligne d’émission ou ligne d’interférence, tandis que l’autre conducteur est appelé ligne de réception ou ligne perturbée.
Lorsque le signal d’attaque (1) traverse la ligne d’émission, un signal d’interférence est généré avec des directions opposées en raison de la capacité parasite entre la ligne d’émission et la ligne de réception. Parallèlement, lors de la traversée de la ligne d’émission, le signal d’attaque génère un champ magnétique variable qui induit, après le croisement de la ligne de réception, un courant d’interférence de direction opposée à celle du signal d’attaque. Les courants d’interférence (2) et (3) sont des signaux de diaphonie découplés de la ligne d’émission vers la ligne de réception par le signal d’attaque. C’est ainsi que la diaphonie est générée.
La diaphonie peut être classée en diaphonie capacitive et diaphonie inductive en fonction de différentes causes. La diaphonie capacitive désigne la tension découplée générée par la capacité de découplage mutuelle, tandis que la diaphonie inductive désigne le courant découplé généré par l’inductance de découplage mutuelle.
En fonction des endroits où la diaphonie se produit, celle-ci peut être classée en diaphonie de proximité (near-end) et diaphonie de distance (far-end). Dans la Figure 1, la diaphonie de proximité est le signal d’interférence généré par le signal d’attaque (1) à l’extrémité proche de la ligne de réception, en additionnant la diaphonie capacitive (3) et la diaphonie inductive (2). La diaphonie de distance est le signal d’interférence généré par le signal d’attaque (1) à l’extrémité éloignée de la ligne de réception, en additionnant de manière inverse la diaphonie capacitive (3) et la diaphonie inductive (2).
La diaphonie est générée entre deux conducteurs en raison du découplage électromagnétique. L’analyse de la diaphonie consiste à calculer la tension d’interférence provenant de l’inductance du signal de commande vers les deux côtés de la ligne de réception avec le signal de commande fourni. VR(0) est défini comme la tension d’interférence sur la ligne de réception lorsque X est égal à 0 tandis que VR(L) est la tension d’interférence sur la ligne de réception lorsque X est égal à L. On peut alors obtenir deux formules :
Le modèle de simulation de l’analyse de diaphonie entre deux lignes micro-ruban parallèles
Dans cet article, le circuit imprimé utilisé dans le modèle de simulation a une taille de 20 x 60 mm (largeur x longueur), avec de la fibre de verre stratifiée à l’époxy FR-4 comme matériau de substrat, dont la constante diélectrique est de 4,7. La figure 2 montre la vue en coupe du modèle de simulation.
Dans la Figure 2, la couche supérieure est le plan de câblage (plan de ligne micro-ruban) tandis que la couche inférieure est le plan image. La ligne micro-ruban est un conducteur idéal tandis que le plan image est un plan conducteur idéal. Les paramètres de deux lignes micro-ruban parallèles peuvent être définis comme suit :L=40mm,W=0,5 mm,H=0,3 mm. Selon la formule de l’impédance caractéristique de la ligne micro-ruban (
), l’impédance caractéristique de la ligne micro-ruban est de 50 Ω.
Remarque : 0,38 mm
Dans la Figure 3, le premier port (P1) de la ligne d’émission est le port de la source d’interférence. Chaque port de la ligne d’émission et de la ligne de réception est connecté par l’impédance caractéristique (50 Ω), de sorte que le signal de diaphonie sera absorbé lorsqu’il atteindra l’extrémité proche et l’extrémité lointaine de la ligne de réception et qu’il ne reviendra pas influencer la diaphonie. Par conséquent, deux microbandes forment un réseau à 4 ports dont les paramètres S13 et S14 peuvent être calculés respectivement : TR0fait référence la diaphonie de la ligne d’émission vers l’extrémité proche de la ligne de réception pendant la commutation TRLfait référence la diaphonie de la ligne d’émission vers l’extrémité éloignée de la ligne de réception.
,
.
Résultats de simulation et discussion
• Intensité de diaphonie en fonction de la variation de fréquence
Les signaux ordinaires résultent de l’addition d’ondes sinusoïdales de fréquences et d’amplitudes différentes, il est donc pertinent d’étudier comment la diaphonie entre deux microstrips varie avec la fréquence d’une onde sinusoïdale unique.
Pour mieux refléter les règles, la Figure 4 est obtenue avec la distance de câblage(D)avec des valeurs de 1 mm et 3 mm, montrant comment la diaphonie évolue avec la fréquence.
On peut en conclure que, dans la plage des basses fréquences, l’intensité de la diaphonie présente une relation linéaire avec la fréquence du signal, qu’il s’agisse de la diaphonie en bout de ligne ou de la diaphonie en début de ligne. Dans la plage des hautes fréquences, la diaphonie en début de ligne (S13) montre une forte vibration périodique avec l’augmentation de la fréquence, tandis que la diaphonie en bout de ligne se comporte de manière opposée. Cela dépend principalement des différentes distances entre la diaphonie capacitive et l’extrémité proche/éloignée, ainsi qu’entre la diaphonie inductive et l’extrémité proche/éloignée. Dans la plage des basses fréquences, les phases de ces deux types de diaphonie et des ports sont pour l’essentiel identiques, et les phases relatives du signal intégré ont peu d’influence sur l’amplitude. Cependant, dans la plage des hautes fréquences, à différentes fréquences, les phases de ces deux types de signaux de diaphonie et des ports présentent de grands écarts, de sorte que l’amplitude du signal d’interférence intégré issu de ces deux types varie périodiquement avec la variation de phase, ce qui conduit à une vibration périodique évidente de l’amplitude en fonction de la fréquence.
• Intensité de diaphonie en fonction de la variation de la distance de câblage
Lorsque la distance de câblage(L)est de 40 mm, épaisseur du substrat(H)0,3 mm et fréquence du signal de 2 GHz et 5 GHz, le résultat de la simulation de l’intensité de diaphonie en fonction de la variation de la distance de câblage est présenté à la Figure 5.
Sur cette figure, la diaphonie de proximité (near-end) et la diaphonie de distance (far-end) diminuent toutes deux à mesure que la distance de câblage augmente. Lorsque la distance de câblage commence à augmenter à partir de 1 mm, la diaphonie diminue rapidement, mais avec l’augmentation de la distance, la diminution de la diaphonie devient lente. De toute évidence, lorsque la distance est supérieure à trois fois la largeur, la diaphonie entre les lignes ne peut plus être améliorée en augmentant la distance entre elles. Cela s’explique par le fait que lorsque deux lignes micro-ruban sont trop proches, la capacité et l’inductance mutuelles deviennent si importantes que la diaphonie augmente considérablement.
• Intensité de diaphonie en fonction de la variation de la longueur du câblage
Lorsque la distance de câblage( D )est de 2,0 mm, épaisseur du substrat(H)Pour une épaisseur de 0,3 mm et des fréquences de signal de 1 GHz et 5 GHz, le résultat simulé de l’intensité de diaphonie en fonction de la longueur est présenté à la Figure 6.
Selon la figure 6, lorsque la fréquence du signal est de 1 GHz, l’intensité de la diaphonie en bout proche et en bout lointain augmente avec l’augmentation de la longueur de parallélisme. Lorsque la fréquence du signal atteint 5 GHz, l’intensité de la diaphonie en bout proche augmente avec l’augmentation de la longueur de parallélisme et l’intensité de la diaphonie en bout lointain oscille avec l’augmentation de la longueur de parallélisme. Cela s’explique par le fait que la longueur électrique du câblage est plus grande à la fréquence de 5 GHz qu’à celle de 1 GHz et que les phases de la diaphonie capacitive et de la diaphonie inductive sont sensiblement différentes au port en bout lointain.
• Intensité de diaphonie en fonction de la variation de la distance entre la ligne micro-ruban et le plan image
Afin de maintenir l’impédance caractéristique de la ligne micro-ruban à 50 Ω, la valeur deL/Hdoit être maintenu à 1,82. Par conséquent, dans le modèle de simulation, le rapport entre la largeur de ligne et la hauteur du plan image est également maintenu à 1,82.
a. Lorsque la longueur du câblage(L)est de 40 mm, la distance entre les deux lignes et leurs bords est de 1,0 mm et la fréquence du signal est de 2 GHz et 5 GHz, l’intensité de diaphonie en fonction de la variation de l’épaisseur du plan d’image est montrée à la Figure 7.
Selon la figure 7, l’intensité de diaphonie augmente avec l’augmentation de la distance, en particulier lorsque la distance se situe dans la plage de 0 à 0,4 mm, l’intensité de diaphonie augmente très rapidement et la vitesse tend à ralentir avec la poursuite de l’augmentation de la hauteur. LorsqueHest supérieure à 0,5 mm, l’intensité de diaphonie reste globalement inchangée. Cela s’explique par le fait que, lorsque la micro‑ligne est trop proche du plan image, le découplage entre le câblage et le plan image devient très fort tandis que le découplage entre les câblages reste très faible. Lorsque la distance entre la micro‑ligne et le plan image augmente, le découplage entre le câblage et le plan image s’affaiblit tandis que le découplage entre les câblages augmente. Cependant, avec l’augmentation de la distance entre la micro‑ligne et le plan image, le découplage entre le câblage et le plan image devient si faible qu’il a peu d’influence sur le découplage entre les câblages. D’après l’analyse ci‑dessus, la distance entre la ligne de transmission et le plan image doit être réduite autant que possible afin de diminuer davantage la diaphonie.
b. Lorsque la longueur du câblage(L)est de 40 mm, la distance entre les lignes est deux fois la largeur de ligne et la fréquence du signal est de 2 GHz et 5 GHz, l’intensité de la diaphonie en fonction de l’épaisseur du plan d’image est montrée à la Figure 8.
Selon la figure 8, l’intensité de diaphonie varie peu avec la distance entre deux lignes, multiple de la largeur de la ligne.
Sur la base de la comparaison entre les deux situations, on peut conclure qu’avec l’augmentation de la distance entre la ligne micro-ruban et le plan image, si la distance entre les lignes reste inchangée, l’intensité de la diaphonie sera amplifiée, et si la distance est un multiple stable de la largeur de la ligne, l’intensité de la diaphonie reste presque inchangée.
Stratégies de conception de PCB
Selon le résultat de l’analyse ci-dessus, quelques stratégies sont présentées ci-dessous afin de réduire la diaphonie entre les lignes de transmission :
a. Pourcircuits imprimés numériques haute vitesseil convient de sélectionner des composants dont la vitesse de montée et de descente des fronts d’horloge est relativement lente afin de pouvoir réduire la fréquence du signal.
b. Il convient d’éviter les dispositions parallèles sur de longues distances.
c. La distance entre deux lignes doit être augmentée.
d.Conception de circuits imprimés multicouchesdoit être utilisé afin que la hauteur entre la ligne de transmission et le plan d’image puisse être réduite. Si des circuits imprimés avec un plan d’image plus élevé doivent être utilisés, la distance entre les lignes de transmission doit être augmentée.
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