Bạn Có Nên Sử Dụng Khoảng Cách và Ghép Nối Cặp Điện Áp Chênh Lệch Chặt hay Lỏng?

Chúng tôi nhận được rất nhiều câu hỏi về trở kháng đường dẫn và cách tính toán kích thước đường dẫn phù hợp để đạt được trở kháng cụ thể trên một PCB có thể sản xuất được. Quan trọng không kém việc xác định chiều rộng đường dẫn phù hợp cho một đường dẫn đơn lẻ là việc xác định khoảng cách phù hợp giữa hai đường dẫn trong một cặp đường dẫn vi sai. Vậy câu hỏi là, các đường dẫn trong cặp đường dẫn vi sai cần phải gần nhau đến mức nào, và liệu nhu cầu về “kết nối chặt chẽ” thực sự cần thiết không?

Điều thú vị về hướng dẫn thiết kế này là có lẽ đây là quy tắc thiết kế PCB duy nhất được định nghĩa mơ hồ nhất. “Kết nối lỏng lẻo” hoặc “kết nối chặt chẽ” cụ thể là gì theo nghĩa số lượng? Nếu bạn hỏi 10 chuyên gia tính toán tín hiệu khác nhau, bạn sẽ nhận được 20 câu trả lời khác nhau!

Trong bài viết này, chúng tôi muốn tiếp cận một mô tả thực tế hơn về kết nối chặt chẽ so với kết nối lỏng lẻo về khoảng cách cặp đường dẫn vi sai, cũng như cách khoảng cách cặp đường dẫn vi sai ảnh hưởng đến các yếu tố như trở kháng, nhiễu chế độ vi sai, tiếp nhận nhiễu chế độ chung, và kết thúc. Như chúng ta sẽ thấy, tập trung vào kết nối chặt chẽ (dù nó có nghĩa là gì) có những lợi ích của nó, nhưng thường được trích dẫn là cần thiết vì những lý do sai.

Cách Khoảng Cách Cặp Đôi Đối Xứng Ảnh Hưởng Đến Tính Toàn Vẹn Tín Hiệu

Hãy xem xét từng kích thước mà tôi đã đề cập ở trên để xác định chính xác vai trò của khoảng cách cặp đôi đối xứng, và cách thiết lập giá trị phù hợp.

Trở Kháng

Tham số chính trong cặp đôi đối xứng bị ảnh hưởng bởi khoảng cách là trở kháng. Trở kháng của một cặp đôi đối xứng phụ thuộc vào dung kháng tự thân và cảm kháng tự thân của mỗi đường dẫn, cũng như dung kháng và cảm kháng chung giữa mỗi đường dẫn. Điều này có nghĩa là công thức cho trở kháng điển hình của một cặp đôi khác nhau cần được phân tách thành trở kháng lẻ và trở kháng đối xứng, được định nghĩa như sau:

Cảm kháng và dung kháng chung tồn tại để cung cấp cho hai cặp một tổng cảm kháng và dung kháng tương đương, tương ứng. Trong phương trình trên, chúng tôi đã bỏ qua sự mất mát (R và G trong phương trình trở kháng đường truyền), nhưng không sao, điểm ở đây là chú ý đến khoảng cách.

• Khi bạn đặt các cặp gần nhau hơn, trở kháng vi sai sẽ nhỏ đi vì L_M và C_M trở nên lớn hơn. Cả L_M và C_M tiến gần đến không khi khoảng cách tiến đến vô cực.

Nói cách khác, nếu bạn đang thiết kế để đạt mục tiêu trở kháng vi sai (như được quy định trong một tiêu chuẩn hoặc xác định từ các phép đo), thì bạn không thể đặt hai cặp quá gần nhau, nếu không bạn sẽ không vi phạm mục tiêu trở kháng vì trở kháng vi sai sẽ quá nhỏ. Tuy nhiên, khoảng cách nhỏ hơn sẽ tập trung các trường điện và từ giữa hai đường dẫn dọc theo chiều dài của lộ trình, điều này làm tăng tổn thất.

Độ tự cảm và điện dung tương hỗ giữa hai đường dẫn không phải là dễ tính toán, và không có công thức đóng đơn giản nào bạn có thể sử dụng. Có một số công thức dài hơn trong một số bài báo nghiên cứu, nhưng chúng rất dài và khó sử dụng. Một lựa chọn tốt hơn là sử dụng trình chỉnh sửa xếp chồng với máy tính tích hợp. Loại tiện ích này thường sử dụng máy giải phương trình trường điện từ để xác định trở kháng của một cặp vi sai, thay vì xác định điện dung và độ tự cảm tương hỗ.

Giảm Tiếng Ồn Chế Độ Chung

Các cặp vi sai đôi khi được mô tả là miễn nhiễm với nhiễu chéo, mặc dù không phải lúc nào cũng nói rõ đó là từ tín hiệu đơn cuối hay tín hiệu vi sai. Dù sao đi nữa, sự thật là các cặp vi sai không miễn nhiễm với nhiễu chéo, từ nguồn nhiễu chế độ vi sai hoặc nguồn nhiễu chế độ chung. Để tìm hiểu thêm về vấn đề trước, bạn có thể đọc bài viết này về nhiễu chéo vi sai.

Vậy còn tiếng ồn chế độ chung xuất phát từ crosstalk thì sao? Nếu bạn đang xem xét một dấu vết tấn công đơn cuối gây ra tín hiệu trong một cặp chế độ sai khác gần đó, thực tế là bạn không bao giờ có thể đảm bảo loại bỏ hoàn toàn tiếng ồn chế độ chung, bất kể bạn định tuyến hai dấu vết trong cặp sai khác chặt chẽ đến đâu. Tuy nhiên, việc ghép nối chặt chẽ hơn có thể giúp ích.

Để hiểu tại sao, chúng ta chỉ cần nhìn vào cách các trường từ một dấu vết tấn công đơn cuối lan ra trong không gian. Bởi vì các trường giảm dần với khoảng cách từ dấu vết, dấu vết gần hơn trong cặp sai khác nhận được nhiều tiếng ồn hơn so với dấu vết xa hơn.

Ở đây, tôi sẽ cho rằng giải pháp tối ưu là di chuyển dấu vết đơn cuối xa hơn khỏi cặp sai khác, thay vì chỉ đặt cặp gần nhau hơn. Nếu đó không phải là giải pháp khả thi, thì khoảng cách nhỏ hơn sẽ mang lại hiệu ứng tương tự, nhưng với tổn thất cao hơn dọc theo cặp sai khác.

EMI chế độ sai khác

Có một huyền thoại nữa rằng cặp dây vi sai không phát ra EMI. Điều này cũng không đúng; nếu nó đúng, thì chúng ta sẽ không thể đo được sự nhiễu chéo vi sai. Tuy nhiên, EMI phát ra từ một cặp dây vi sai ở chế độ vi sai, vì vậy nó ít mạnh mẽ hơn so với tiếng ồn phát ra từ một dấu vết đơn lẻ hoặc một nhóm dấu vết. Đây là một lý do bạn có thể chạy dữ liệu nối tiếp tốc độ cao cực kỳ qua một liên kết vi sai mà không liên tục thất bại trong kiểm tra EMC: đơn giản là có ít tiếng ồn hơn so với nếu dữ liệu được gửi qua một dấu vết đơn.

Bởi vì EMI vi sai chỉ là một vấn đề khi định tuyến dữ liệu nối tiếp qua một cặp dây vi sai dài, bạn có thể bị cám dỗ để đưa cặp dây lại gần nhau hơn để chống lại tiếng ồn. Tôi lại muốn nói rằng mất mát (mất mát chèn) quan trọng hơn nhiều trong tình huống này. Trong một liên kết dài nơi bạn cần sử dụng cặp dây vi sai, mất mát sẽ chi phối hành vi của kênh, và bạn không cần phải có khoảng cách chặt chẽ cực kỳ. Hãy chắc chắn để mô phỏng và đo lường hành vi kênh của bạn, ưu tiên với một bảng thử nghiệm, trước khi bạn hoàn thiện thiết kế cặp dây vi sai của mình để sử dụng với tiêu chuẩn tín hiệu cụ thể của bạn.

Chuyển Đổi Chế Độ và Phản Xạ trong Điều Chỉnh Chiều Dài

Có hai vấn đề liên quan đến tính toàn vẹn tín hiệu được tạo ra bởi sự ghép chặt bên trong cấu trúc điều chỉnh chiều dài::

• Chuyển đổi chế độ trong cấu trúc điều chỉnh chiều dài
• Phản xạ tại đầu vào của cấu trúc điều chỉnh chiều dài

Hai điểm này đại diện cho sự đánh đổi: cấu trúc điều chỉnh chiều dài cần thiết để đưa tín hiệu vào cùng một pha, nhưng chúng tạo ra phản xạ và chuyển đổi chế độ.

Khi một tín hiệu vi sai di chuyển dọc theo cấu trúc điều chỉnh chiều dài, nó sẽ trải qua một số chuyển đổi chế độ, nghĩa là nhiễu chế độ chung có thể chuyển thành nhiễu chế độ vi sai, và ngược lại. Khi khoảng cách giữa các cặp nhỏ hơn, sẽ có sự lệch điện trở chế độ lẻ lớn hơn dọc theo đường dẫn có chiều dài khớp, cũng như sự thay đổi lớn hơn về độ trễ truyền dẫn trên mỗi đường dẫn.

Kết quả là cấu trúc điều chỉnh chiều dài gây ra một số nhiễu chế độ chung xuất hiện như nhiễu chế độ vi sai tại bộ thu, có thể sau đó vi phạm biên độ nhiễu của bộ thu.

• Tìm hiểu thêm về chuyển đổi chế độ trong cấu trúc điều chỉnh chiều dài
• Tìm hiểu thêm về trở kháng của cấu trúc điều chỉnh chiều dài

Tại sao lại Tập trung vào Khoảng cách và Sự Khớp Chiều Dài?

Trong quá khứ xa xôi, trước khi các nhà thiết kế có quyền truy cập vào một kho tàng công cụ CAD và phần mềm thiết kế điện tử chuyên nghiệp, việc áp dụng khớp chiều dài và khoảng cách nhất quán cho một cặp vi sai là một quá trình tốn thời gian. Ngày nay, các nhà thiết kế PCB được hưởng lợi từ các công cụ CAD giúp việc áp dụng các phần khớp chiều dài cho một cặp vi sai trở nên cực kỳ dễ dàng. Các quy tắc thiết kế tương tác với công cụ định tuyến của bạn cũng làm cho việc áp dụng khoảng cách nhất quán giữa mỗi đường dẫn trong một cặp vi sai trở nên cực kỳ dễ dàng, bao gồm cả khoảng cách rất chặt nếu cần.

Dù có thể không cần thiết trong phạm vi của các phương pháp kết thúc truyền thống và mục tiêu trở kháng vi sai, chúng ta thấy một vài lý do để sử dụng khoảng cách nhỏ:

• Giảm tiếng ồn chế độ sai khác và nhiễu chéo chế độ sai khác
• Cơ hội cao hơn để tiếng ồn được nhận diện như tiếng ồn chế độ chung thực sự
• Tiếng ồn chế độ sai khác phát ra giữa cặp dây thấp hơn

Tuy nhiên, trái với quan điểm phổ biến, việc chọn khoảng cách nhỏ nhất có thể không được yêu cầu cho việc kết thúc, và nó sẽ tăng tổn thất dọc theo chiều dài của cặp dây. Sau đó, khi bạn áp dụng điều chỉnh chiều dài dọc theo một cặp dây có khoảng cách gần, bạn sẽ thấy sự chuyển đổi chế độ và lệch pha trở kháng lớn hơn khi phần điều chỉnh chiều dài được áp dụng. Việc kết thúc là một cuộc thảo luận dài mà tôi sẽ trình bày trong một số video và trong một bài viết khác. Một cái nhìn tổng quan có thể được tìm thấy trong bài viết này, và điều quan trọng cần nhớ là việc kết thúc xử lý cặp dây chênh lệch như hai tín hiệu đơn cuối, không phải dưới dạng một trở kháng chênh lệch nào đó.

Khi bạn cần thiết lập và duy trì khoảng cách cặp vi sai và các mục tiêu trở kháng cụ thể trong thiết kế của mình, hãy sử dụng bộ đầy đủ các tính năng định tuyến và mô phỏng PCB trong Altium Designer^®. Công cụ định tuyến tích hợp cung cấp cho bạn mọi thứ bạn cần để hoàn thành bố cục vật lý của mình trong khi vẫn duy trì các quy tắc hình học và mục tiêu trở kháng của bạn. Khi bạn đã hoàn thành thiết kế và muốn gửi các tệp cho nhà sản xuất của mình, nền tảng Altium 365^™ giúp việc hợp tác và chia sẻ các dự án của bạn trở nên dễ dàng.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.