Stratégies de conception de la diaphonie entre deux lignes microruban parallèles sur PCB basées sur l'analyse de simulation

Théorie de la diaphonie

Basé sur la théorie électromagnétique, la diaphonie fait référence au découplage électromagnétique entre deux lignes de signal. C'est 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 a une source de signal (V_S ) et l'impédance interne (Z_OG ) à une extrémité de la ligne et l'impédance de charge (Z_LG ) à l'autre, formant une boucle fermée à travers le sol. L'autre ligne n'a que de la résistance (Z_OU et Z_LR ) avec une structure de fil unique au sol. Dans cette figure, la dérivation avec source de signal est appelée ligne d'émission ou ligne d'interférence tandis que l'autre ligne est appelée ligne de réception ou ligne interférée.

Lorsque le signal de commande (1) passe la ligne d'émission, un signal d'interférence sera généré avec des directions contraires en raison de la capacité parasite entre la ligne d'émission et la ligne de réception. Pendant ce temps, tout en passant la ligne d'émission, le signal de commande générera un champ magnétique changeant qui induit un courant d'interférence avec une direction contraire au signal de commande après avoir traversé la ligne de réception. Les courants d'interférence (2) et (3) sont un signal de diaphonie découplé de la ligne d'émission à la ligne de réception par le signal de commande. C'est ainsi que la diaphonie est générée.

La diaphonie peut être classée en diaphonie capacitive et diaphonie d'inductance en fonction de différentes causes. La diaphonie capacitive fait référence à la tension découplée générée par la capacité découplée mutuelle, tandis que la diaphonie d'inductance fait référence au courant découplé généré par l'inductance découplée mutuelle.

En fonction des endroits où se produit la diaphonie, la diaphonie peut être classée en diaphonie proche et en diaphonie lointaine. Dans la figure 1, la paradiaphonie est le signal d'interférence généré par le signal d'attaque (1) à l'extrémité proche de la ligne de réception, en ajoutant la diaphonie capacitive (3) et la diaphonie d'inductance (2). La diaphonie distante est le signal d'interférence généré par le signal d'attaque (1) à l'extrémité distante de la ligne de réception, ajoutant inversement la diaphonie capacitive (3) et la diaphonie inductive (2).

La diaphonie est générée entre deux cordons en raison du découplage électromagnétique. L'analyse de la diaphonie consiste à calculer la tension d'interférence à partir de l'inductance du signal d'attaque des deux côtés de la ligne de réception avec le signal d'attaque fourni. V_R (0) est défini comme la tension d'interférence sur la ligne de réception lorsque X est égal à 0 tandis que V_R (L) est la tension parasite sur la ligne de réception lorsque X est égal à L. On obtient alors deux formules :

Le modèle de simulation de l'analyse de la diaphonie entre deux lignes microruban parallèles

Dans cet article, la carte de circuit imprimé utilisée dans le modèle de simulation a une taille de 20x60mm (largeur x longueur) avec de la fibre de verre stratifiée 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.

Sur la figure 2, la couche supérieure est le plan de câblage (plan de ligne microruban) tandis que la couche inférieure est le plan image. La ligne microruban est un conducteur idéal tandis que le plan image est un plan conducteur idéal. Les paramètres de deux lignes microruban parallèles peuvent être définis comme suit :L=40 mm, W=0,5 mm, H=0,3 mm. Selon la formule de l'impédance caractéristique de la ligne microruban ( ), l'impédance caractéristique de la ligne microruban est de 50Ω.

Remarque :0,38 mm

Sur la figure 3, le premier port (P1) de la ligne d'émission est le port 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 éloignée de la ligne de réception et il ne reviendra pas pour influencer la diaphonie. Il en résulte que deux lignes micro-ruban forment un réseau à 4 ports dont les paramètres S13 et S14 peuvent être calculés respectivement :, .

TR₀ fait référence à la diaphonie de la ligne d'émission à l'extrémité proche de la ligne de réception tandis que TR_L fait référence à la diaphonie de la ligne d'émission à l'extrémité éloignée de la ligne de réception.

Résultat de la simulation et discussion

• Intensité de la diaphonie avec le changement de fréquence

Les signaux ordinaires sont le résultat de l'ajout d'ondes sinusoïdales avec des fréquences et des plages différentes. Il est donc utile d'étudier comment la diaphonie de deux lignes microruban change avec la fréquence d'une seule onde sinusoïdale.

Pour mieux refléter les règles, la figure 4 est obtenue avec une distance de câblage (D) avec des valeurs de 1 mm et 3 mm, montrant comment la diaphonie change avec la fréquence.

On peut en conclure que dans la gamme des basses fréquences, l'intensité de la diaphonie a une relation linéaire avec la fréquence du signal, quelle que soit la diaphonie éloignée ou la diaphonie proche. Dans la gamme des hautes fréquences, paradiaphonie (S₁₃ ) montre la forte vibration périodique avec l'augmentation de la fréquence tandis que la diaphonie distante se comporte de manière contraire. Cela repose principalement sur les différentes distances entre la diaphonie capacitive et l'extrémité proche/éloignée, entre la diaphonie d'inductance et l'extrémité proche/éloignée. Dans la gamme des basses fréquences, les phases sont pour la plupart les mêmes à partir de ces deux types de diaphonie et de ports et les phases relatives du signal intégré ont peu d'influence sur l'étendue. Cependant, dans la gamme des hautes fréquences, sous différentes fréquences, les phases présentent de grands écarts par rapport à ces deux types de signaux de diaphonie et les ports lorsque l'étendue de ces deux types de signaux intégrés d'interférence changeront périodiquement avec le changement de phase, ce qui conduit à la vibration évidemment périodique de l'étendue par fréquence.

• Intensité de la diaphonie avec le changement de distance de câblage

Lorsque la distance de câblage (L) est de 40 mm, l'épaisseur du substrat (H) de 0,3 mm et la fréquence du signal de 2 GHz et 5 GHz, le résultat de la simulation de l'intensité de la diaphonie avec le changement de la distance de câblage est illustré à la Figure 5.

Dans cette figure, la diaphonie proche et la diaphonie distante diminuent 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. Évidemment, lorsque la distance est supérieure à trois fois la largeur, la diaphonie entre les lignes ne peut pas être améliorée en élargissant la distance entre les lignes. En effet, lorsque deux lignes microruban se rapprochent trop, la capacité et l'inductance mutuelles deviendront si importantes que la diaphonie augmentera considérablement.

• Intensité de la diaphonie avec le changement de longueur de câblage

Lorsque la distance de câblage (D) est de 2,0 mm, l'épaisseur du substrat (H) de 0,3 mm et la fréquence du signal de 1 GHz et 5 GHz, le résultat simulé de l'intensité de la diaphonie avec le changement de longueur est illustré à la Figure 6.

Selon la figure 6, lorsque la fréquence du signal est de 1 GHz, l'intensité de la paradiaphonie et de la diaphonie distante augmente avec l'extension de la longueur parallèle. Lorsque la fréquence du signal atteint 5 GHz, l'intensité de la diaphonie proche augmente avec l'extension de la longueur parallèle et l'intensité de la diaphonie distante vibre avec l'extension de la longueur parallèle. En effet, la longueur électrique du câblage est plus grande à la fréquence de 5 GHz qu'à la fréquence de 1 GHz et les phases de diaphonie capacitive et de diaphonie d'inductance sont sensiblement différentielles au niveau du port distant.

• Intensité de la diaphonie avec le changement de la distance entre la ligne microruban et le plan image

Afin de maintenir l'impédance caractéristique de la ligne microruban à 50Ω, la valeur de W/H doit être maintenue à 1,82. Par conséquent, dans le modèle de simulation, le rapport entre la largeur de la ligne et la hauteur du plan de l'image est également maintenu à 1,82.

un. Lorsque la longueur de câblage (L) est de 40 mm, la distance entre les deux lignes et leurs bords de 1,0 mm et la fréquence du signal de 2 GHz et 5 GHz, l'intensité de la diaphonie avec le changement d'épaisseur du plan d'image est illustrée à la Figure 7.

Selon la figure 7, l'intensité de la diaphonie augmente avec l'extension de la distance, en particulier lorsque la distance est comprise entre 0 et 0,4 mm, l'intensité de la diaphonie augmente si rapidement et la vitesse a tendance à ralentir avec l'extension continue de la hauteur . Lorsque H est supérieur à 0,5 mm, l'intensité de la diaphonie reste essentiellement immobile. En effet, lorsque la ligne microruban est trop proche du plan image, le découplage entre le câblage et le plan image devient si intégré alors que le découplage entre le câblage est si faible. Lorsque la distance entre la ligne microruban et le plan image augmente, le découplage entre câblage et plan image devient faible tandis que le découplage entre câblage augmente. Cependant, avec l'augmentation de la distance entre la ligne microruban et le plan image, le découplage entre câblage et plan image est devenu si faible qu'il a peu d'influence sur le découplage entre câblage. Sur la base de l'analyse ci-dessus, la distance entre la ligne de transmission et le plan image doit être réduite autant que possible afin de mieux réduire la diaphonie.

b. Lorsque la longueur de câblage (L) est de 40 mm, la distance entre les lignes deux fois la largeur de la ligne et la fréquence du signal de 2 GHz et 5 GHz, l'intensité de la diaphonie avec le changement d'épaisseur du plan d'image est illustrée à la Figure 8.

Selon la figure 8, l'intensité de la diaphonie change peu avec la distance entre deux lignes multiple de la largeur de la ligne.

Sur la base de la comparaison entre les deux circonstances, on peut conclure qu'avec l'augmentation de la distance entre la ligne microruban et le plan image, si la distance entre les lignes reste inchangée, l'intensité de la diaphonie sera amplifiée et si la distance est le multiple stable de largeur de ligne, l'intensité de la diaphonie reste presque inchangée.

Stratégies de conception de PCB

Selon le résultat de l'analyse ci-dessus, certaines stratégies sont présentées ci-dessous afin de réduire la diaphonie entre les lignes de transmission :
a. Pour les circuits imprimés numériques à grande vitesse, les composants dont la vitesse de front montant et de front descendant d'horloge est relativement lente doivent être captés afin que la fréquence du signal puisse être diminuée.
b. La mise en page parallèle longue distance doit être évitée.
c. La distance entre deux lignes doit être agrandie.
d. La conception de circuits imprimés multicouches doit être utilisée afin que la hauteur entre la ligne de transmission et le plan d'image puisse être réduite. Si des PCB avec un plan d'image plus élevé doivent être utilisés, la distance entre les lignes de transmission doit être agrandie.

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