กลยุทธ์ในการออกแบบการรบกวนระหว่างสายไมโครสตริปแบบขนานสองเส้นบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) โดยอิงจากการวิเคราะห์การจำลอง

ทฤษฎีการรบกวนข้ามช่องทาง

ตามทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า ครอสทอล์กหมายถึงการคัปปลิงทางแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างสายสัญญาณสองเส้น ซึ่งเป็นสัญญาณรบกวนชนิดหนึ่งที่เกิดจากความจุร่วมและอิมพีแดนซ์ร่วมระหว่างสายสัญญาณ

ในรูปที่ 1 ท่ามกลางเส้นขนานสองเส้น เส้นหนึ่งมีแหล่งสัญญาณ (V_S) และอิมพีแดนซ์ภายใน (Z_โอจี) ที่ปลายด้านหนึ่งของสายและอิมพีแดนซ์โหลด (Z_{แอลจี}) ที่อีกด้านหนึ่ง ทำให้เกิดลูปปิดผ่านกราวด์ สายนำอีกเส้นมีเพียงความต้านทาน (Z_หรือและ Z_LR) ที่มีโครงสร้างเป็นสายเดี่ยวต่อกับกราวด์ ในรูปนี้ สายนำที่มีแหล่งสัญญาณเรียกว่า สายการแผ่รบกวน หรือ สายรบกวน ในขณะที่สายอีกเส้นหนึ่งเรียกว่า สายรับ หรือ สายถูกรบกวน

เมื่อสัญญาณขับเคลื่อน (1) ผ่านสายส่งสัญญาณรบกวน จะเกิดสัญญาณรบกวนที่มีทิศทางตรงกันข้ามอันเป็นผลมาจากความจุปรสิตระหว่างสายส่งสัญญาณรบกวนกับสายรับสัญญาณ ในขณะเดียวกัน เมื่อผ่านสายส่งสัญญาณรบกวน สัญญาณขับเคลื่อนจะสร้างสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลง ซึ่งจะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสสัญญาณรบกวนที่มีทิศทางตรงกันข้ามกับสัญญาณขับเคลื่อนหลังจากตัดผ่านสายรับสัญญาณ กระแสสัญญาณรบกวน (2) และ (3) เป็นสัญญาณครอสทอล์กที่ถูกคัปปลิ้งจากสายส่งสัญญาณรบกวนไปยังสายรับสัญญาณโดยสัญญาณขับเคลื่อน นี่คือกลไกการเกิดของครอสทอล์ก

ครอสทอล์กสามารถจำแนกได้เป็นครอสทอล์กแบบความจุไฟฟ้าและครอสทอล์กแบบความเหนี่ยวนำตามสาเหตุที่แตกต่างกัน ครอสทอล์กแบบความจุไฟฟ้าหมายถึงแรงดันไฟฟ้าที่ถูกคัปปลิงซึ่งเกิดจากค่าความจุไฟฟ้าร่วมกันที่ถูกคัปปลิง ส่วนครอสทอล์กแบบความเหนี่ยวนำหมายถึงกระแสไฟฟ้าที่ถูกคัปปลิงซึ่งเกิดจากค่าความเหนี่ยวนำร่วมกันที่ถูกคัปปลิง

ตามตำแหน่งที่เกิดการครอสทอล์ก สามารถแบ่งครอสทอล์กออกเป็นครอสทอล์กปลายใกล้และครอสทอล์กปลายไกล ในรูปที่ 1 ครอสทอล์กปลายใกล้คือสัญญาณรบกวนที่เกิดจากสัญญาณขับเคลื่อน (1) ที่ปลายใกล้ของสายรับ โดยเป็นผลรวมของครอสทอล์กแบบความจุไฟฟ้า (3) และครอสทอล์กแบบความเหนี่ยวนำ (2) ส่วนครอสทอล์กปลายไกลคือสัญญาณรบกวนที่เกิดจากสัญญาณขับเคลื่อน (1) ที่ปลายไกลของสายรับ โดยเป็นผลรวมแบบกลับเฟสของครอสทอล์กแบบความจุไฟฟ้า (3) และครอสทอล์กแบบความเหนี่ยวนำ (2)

ครอสทอล์กเกิดขึ้นระหว่างสายสองเส้นเนื่องจากการแยกตัวทางแม่เหล็กไฟฟ้า การวิเคราะห์ครอสทอล์กคือการคำนวณแรงดันรบกวนจากความเหนี่ยวนำของสัญญาณขับไปยังทั้งสองด้านของสายรับโดยมีสัญญาณขับที่กำหนดให้ V_R(0) ถูกกำหนดให้เป็นแรงดันรบกวนบนสายรับเมื่อ X มีค่าเท่ากับ 0 ในขณะที่ V_R(L) คือแรงดันรบกวนบนสายรับเมื่อ X เท่ากับ L จากนั้นสามารถได้สมการสองสมการดังนี้:

แบบจำลองการจำลองสำหรับการวิเคราะห์การรบกวนระหว่างสายไมโครสตริปแบบขนานสองเส้น

ในบทความนี้ แผงวงจรพิมพ์ที่ใช้ในแบบจำลองการจำลองมีขนาด 20x60 มม. (กว้าง x ยาว) โดยใช้ไฟเบอร์กลาสเคลือบอีพ็อกซีชนิด FR-4 เป็นวัสดุฐาน ซึ่งมีค่าคงที่ไดอิเล็กทริกเท่ากับ 4.7 รูปที่ 2 แสดงภาพตัดขวางของแบบจำลองการจำลอง

ในรูปที่ 2 ชั้นบนเป็นระนาบสายเดินลวด (ระนาบไมโครสตริปลายน์) ในขณะที่ชั้นล่างเป็นระนาบอิมเมจ ไมโครสตริปลายน์เป็นตัวนำอุดมคติ ในขณะที่ระนาบอิมเมจเป็นระนาบตัวนำอุดมคติ พารามิเตอร์ของไมโครสตริปลายน์แบบขนานสองเส้นสามารถกำหนดได้ดังนี้:แ=40มม.ดับเบิลยู=0.5มม.H=0.3 มม. ตามสูตรของอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะของไมโครสตริปลาย () ค่าความต้านทานลักษณะเฉพาะของไมโครสตริปลายน์คือ 50Ω

หมายเหตุ: 0.38 มม.

ในรูปที่ 3 พอร์ตแรก (P1) ของสายการแพร่สัญญาณเป็นพอร์ตแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวน แต่ละพอร์ตของสายการแพร่สัญญาณและสายรับสัญญาณเชื่อมต่อกันด้วยอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะ (50Ω) ดังนั้นสัญญาณครอสทอล์กจะถูกดูดซับเมื่อมันไปถึงปลายใกล้และปลายไกลของสายรับสัญญาณ และจะไม่สะท้อนกลับมาส่งผลต่อครอสทอล์กอีก ดังนั้น ไมโครสตริปไลน์สองเส้นจึงสร้างเป็นโครงข่าย 4 พอร์ต ซึ่งพารามิเตอร์ S13 และ S14 สามารถคำนวณได้ตามลำดับ:,.

TR₀หมายถึงการรบกวนข้ามของสัญญาณการส่งไปยังปลายใกล้ของสายรับในขณะ TR_Lหมายถึงการรบกวนสัญญาณจากสายส่งสัญญาณไปยังปลายทางที่อยู่ไกลของสายรับสัญญาณ

ผลการจำลองและการอภิปราย

• ความเข้มของสัญญาณรบกวนระหว่างช่องสัญญาณเมื่อความถี่เปลี่ยนแปลง

สัญญาณทั่วไปเกิดจากการรวมกันของคลื่นไซน์ที่มีความถี่และช่วงต่างกัน ดังนั้นการศึกษาว่าการครอสทอล์กของไมโครสตริปไลน์สองเส้นเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรเมื่อความถี่ของคลื่นไซน์เดี่ยวเปลี่ยนไปจึงมีความหมาย

เพื่อสะท้อนกฎได้ดียิ่งขึ้น รูปที่ 4 ได้มาจากระยะการเดินสาย(ง)โดยมีค่า 1 มม. และ 3 มม. แสดงให้เห็นว่าการครอสทอล์กเปลี่ยนแปลงไปตามความถี่อย่างไร

สามารถสรุปได้ว่าในช่วงความถี่ต่ำ ความเข้มของสัญญาณรบกวนระหว่างสายมีความสัมพันธ์เชิงเส้นกับความถี่ของสัญญาณ ไม่ว่าจะเป็นสัญญาณรบกวนระหว่างสายที่ปลายไกลหรือสัญญาณรบกวนระหว่างสายที่ปลายใกล้ ส่วนในช่วงความถี่สูง สัญญาณรบกวนระหว่างสายที่ปลายใกล้ (S₁₃) แสดงให้เห็นถึงการสั่นแบบเป็นคาบที่รุนแรงเมื่อความถี่เพิ่มขึ้น ในขณะที่การครอสทอล์กที่ปลายไกลมีพฤติกรรมตรงกันข้าม สิ่งนี้ขึ้นอยู่กับระยะทางที่แตกต่างกันระหว่างครอสทอล์กแบบความจุกับปลายใกล้/ปลายไกล และระหว่างครอสทอล์กแบบความเหนี่ยวนำกับปลายใกล้/ปลายไกลเป็นหลัก ในช่วงความถี่ต่ำ เฟสของสัญญาณจากครอสทอล์กทั้งสองประเภทและพอร์ตส่วนใหญ่จะเหมือนกัน และเฟสสัมพัทธ์ของสัญญาณรวมมีอิทธิพลต่อขนาดไม่มากนัก อย่างไรก็ตาม ในช่วงความถี่สูง ภายใต้ความถี่ที่แตกต่างกัน เฟสของสัญญาณครอสทอล์กทั้งสองประเภทและพอร์ตจะแตกต่างกันมาก เมื่อขนาดของสัญญาณรบกวนรวมจากครอสทอล์กทั้งสองประเภทจะเปลี่ยนแปลงเป็นคาบตามการเปลี่ยนแปลงของเฟส ซึ่งนำไปสู่การสั่นของขนาดตามความถี่ที่มีลักษณะเป็นคาบอย่างชัดเจน

• ความเข้มของสัญญาณรบกวนระหว่างสายกับการเปลี่ยนแปลงของระยะห่างการเดินสาย

เมื่อระยะทางการเดินสายไฟ(ซ)ความหนาของซับสเตรตคือ 40 มม.(ช)ที่ความหนา 0.3 มม. และความถี่สัญญาณ 2GHz และ 5GHz ผลการจำลองของความเข้มการครอสทอล์กที่เปลี่ยนแปลงไปตามระยะห่างของการเดินสายแสดงไว้ในรูปที่ 5

ในรูปนี้ ทั้งครอสทอล์กปลายใกล้และครอสทอล์กปลายไกลจะลดลงเมื่อระยะการเดินสายเพิ่มขึ้น เมื่อระยะการเดินสายเริ่มเพิ่มจาก 1 มม. ครอสทอล์กจะลดลงอย่างรวดเร็ว แต่เมื่อระยะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ การลดลงของครอสทอล์กจะช้าลงอย่างเห็นได้ชัด เมื่อระยะห่างมากกว่าสามเท่าของความกว้าง การเพิ่มระยะห่างระหว่างเส้นสายจะไม่สามารถปรับปรุงครอสทอล์กระหว่างเส้นสายได้อีกต่อไป เนื่องจากเมื่อเส้นไมโครสตริปสองเส้นอยู่ใกล้กันเกินไป ทั้งค่าคาปาซิแตนซ์และอินดักแตนซ์ร่วมจะเด่นชัดมากจนทำให้ครอสทอล์กเพิ่มสูงขึ้นอย่างมาก

• ความเข้มของสัญญาณรบกวนระหว่างสายกับการเปลี่ยนแปลงของความยาวสายไฟ

เมื่อระยะทางการเดินสายไฟ(ง)คือ 2.0 มม. ความหนาของแผ่นรอง(ช)เมื่อความหนา 0.3 มม. และความถี่สัญญาณ 1GHz และ 5GHz ผลการจำลองของความเข้มการครอสทอล์กที่เปลี่ยนแปลงตามความยาวจะแสดงดังในรูปที่ 6

ตามรูปที่ 6 เมื่อความถี่สัญญาณเท่ากับ 1GHz ความเข้มของครอสทอล์กปลายใกล้และครอสทอล์กปลายไกลจะเพิ่มขึ้นตามความยาวส่วนที่ขนานกันที่ยืดออกไป เมื่อความถี่สัญญาณเพิ่มถึง 5GHz ความเข้มของครอสทอล์กปลายใกล้จะเพิ่มขึ้นตามความยาวส่วนที่ขนานกันที่ยืดออกไป และความเข้มของครอสทอล์กปลายไกลจะเกิดการสั่นเปลี่ยนแปลงตามความยาวส่วนที่ขนานกันที่ยืดออกไป เนื่องจากความยาวทางไฟฟ้าของลายวงจรมีค่ามากกว่าที่ความถี่ 5GHz เมื่อเทียบกับที่ความถี่ 1GHz และเฟสของครอสทอล์กเชิงความจุไฟฟ้าและครอสทอล์กเชิงความเหนี่ยวนำมีความแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญที่พอร์ตปลายไกล

• ความเข้มของการรบกวนระหว่างสัญญาณกับการเปลี่ยนแปลงของระยะห่างระหว่างไมโครสตริปลายน์และระนาบภาพ

เพื่อรักษาค่าความต้านทานลักษณะของไมโครสตริปลายให้คงอยู่ที่ 50Ω ค่าก/สต้องคงค่าไว้ที่ 1.82 ดังนั้น ในแบบจำลองการจำลอง อัตราส่วนระหว่างความกว้างของเส้นกับความสูงของระนาบภาพจึงถูกคงไว้ที่ 1.82 เช่นกัน

a. เมื่อความยาวของสายไฟ(ซ)คือ 40 มม. ระยะห่างระหว่างสองเส้นและขอบของมันคือ 1.0 มม. และความถี่สัญญาณคือ 2GHz และ 5GHz ความเข้มของครอสทอล์กที่เปลี่ยนแปลงไปตามความหนาของระนาบภาพจะแสดงดังในรูปที่ 7

ตามรูปที่ 7 ความเข้มของสัญญาณรบกวนระหว่างช่องเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของระยะทาง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อระยะทางอยู่ในช่วง 0 ถึง 0.4 มม. ความเข้มของสัญญาณรบกวนระหว่างช่องจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วมาก และความเร็วของการเพิ่มขึ้นมีแนวโน้มช้าลงเมื่อความสูงยังคงเพิ่มขึ้นต่อเนื่อง เมื่อHมากกว่า 0.5 มม. ความเข้มของการครอสทอล์กจะคงที่โดยพื้นฐาน เนื่องจากเมื่อไมโครสตริปลายอยู่ใกล้กับระนาบอิมเมจมากเกินไป การคัปปลิงระหว่างลายเดินสายกับระนาบอิมเมจจะมีความแน่นแฟ้นมาก ในขณะที่การคัปปลิงระหว่างลายเดินสายด้วยกันเองจะมีค่าน้อย เมื่อระยะห่างระหว่างไมโครสตริปลายกับระนาบอิมเมจเพิ่มขึ้น การคัปปลิงระหว่างลายเดินสายกับระนาบอิมเมจจะอ่อนลง ในขณะที่การคัปปลิงระหว่างลายเดินสายด้วยกันเองจะเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม เมื่อระยะห่างระหว่างไมโครสตริปลายกับระนาบอิมเมจเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ การคัปปลิงระหว่างลายเดินสายกับระนาบอิมเมจจะอ่อนลงมากจนแทบไม่มีอิทธิพลต่อการคัปปลิงระหว่างลายเดินสาย จากการวิเคราะห์ข้างต้น ระยะห่างระหว่างสายส่งกับระนาบอิมเมจควรถูกทำให้สั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อให้ลดการครอสทอล์กได้ดียิ่งขึ้น

b. เมื่อความยาวของสายไฟ(ซ)มีความกว้าง 40 มม. ระยะห่างระหว่างเส้นเท่ากับสองเท่าของความกว้างเส้น และความถี่สัญญาณคือ 2GHz และ 5GHz ความเข้มของการรบกวนระหว่างสัญญาณเมื่อความหนาของระนาบอิมเมจเปลี่ยนแปลงจะแสดงดังในรูปที่ 8

ตามรูปที่ 8 ความเข้มของสัญญาณรบกวนแทรกเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยเมื่อระยะห่างระหว่างสองเส้นเป็นจำนวนเท่าของความกว้างของเส้น

จากการเปรียบเทียบระหว่างสองสภาวะ สามารถสรุปได้ว่า เมื่อระยะห่างระหว่างไมโครสตริปลายและระนาบอิมเมจเพิ่มขึ้น หากระยะห่างระหว่างลายยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ความเข้มของครอสทอล์กจะถูกขยายเพิ่มขึ้น และหากระยะห่างดังกล่าวเป็นค่าคงที่ที่เป็นจำนวนเท่าของความกว้างลาย ความเข้มของครอสทอล์กจะคงที่เกือบไม่เปลี่ยนแปลง

กลยุทธ์การออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB)

จากผลการวิเคราะห์ข้างต้น มีการแสดงกลยุทธ์บางประการด้านล่างนี้เพื่อช่วยลดการรบกวนระหว่างสายส่งสัญญาณ
a. สำหรับแผงวงจรพิมพ์ดิจิทัลความเร็วสูงควรเลือกใช้คอมโพเนนต์ที่ความเร็วของขอบสัญญาณนาฬิกาด้านขาขึ้นและด้านขาลงค่อนข้างช้า เพื่อให้สามารถลดความถี่ของสัญญาณลงได้
b. ควรหลีกเลี่ยงการจัดวางแบบขนานระยะไกล
c. ควรเพิ่มระยะห่างระหว่างสองเส้น
d.การออกแบบแผงวงจรพิมพ์หลายชั้นควรใช้งานเพื่อให้สามารถลดความสูงระหว่างสายส่งสัญญาณกับระนาบอิมเมจได้ หากจำเป็นต้องใช้แผ่น PCB ที่มีระนาบอิมเมจสูงกว่า ควรเพิ่มระยะห่างระหว่างสายส่งสัญญาณ

แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
•เทคนิคการเดินสาย 3 แบบในการออกแบบวงจรสัญญาณความเร็วสูงบนแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB)
•เทคนิคการเดินลาย PCB ความเร็วสูงเพื่อลดอิทธิพลของ EMI
•วิธีการลดการสะท้อนสัญญาณในการออกแบบเลย์เอาต์ PCB ความเร็วสูง
•ความเข้าใจผิดและกลยุทธ์ในการออกแบบ PCB ความเร็วสูง
•7 ปัญหาที่พบบ่อยในการผลิตแผ่นวงจรพิมพ์หลายชั้นความถี่สูงและความเร็วสูง และวิธีการแก้ไข
•บริการผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) แบบครบวงจรจาก PCBCart - ตัวเลือกเสริมที่มีมูลค่าหลากหลาย
•บริการประกอบแผงวงจรพิมพ์ขั้นสูงจาก PCBCart - เริ่มต้นเพียง 1 ชิ้น