Estrategias para el diseño de diafonía entre dos líneas de microcinta paralelas en PCB basadas en el análisis de simulación

Teoría de diafonía

Basado en la teoría electromagnética, la diafonía se refiere al desacoplamiento electromagnético entre dos líneas de señal. Es un tipo de ruido causado por la capacidad mutua y la impedancia mutua entre líneas de señal.

En la Figura 1, entre las dos líneas paralelas, una línea tiene una fuente de señal (V_S ) e impedancia interna (Z_OG ) en un extremo de la línea y la impedancia de carga (Z_LG ) en el otro, formando un bucle cerrado a través de tierra. La otra línea solo tiene resistencia (Z_OR y Z_LR ) con una estructura de un solo hilo a tierra. En esta figura, el cable con fuente de señal se denomina línea de emisión o línea de interferencia, mientras que la otra línea se denomina línea de recepción o línea interferida.

Cuando la señal de conducción (1) pasa por la línea de emisión, se generará una señal de interferencia con direcciones contrarias como resultado de la capacitancia parásita entre la línea de emisión y la línea de recepción. Mientras tanto, al pasar por la línea de emisión, la señal de conducción generará un campo magnético cambiante que induce una corriente de interferencia con una dirección contraria a la señal de conducción después de cruzar la línea de recepción. La corriente de interferencia (2) y (3) son señales de diafonía desacopladas de la línea de emisión a la línea de recepción por la señal de activación. Así es como se genera la diafonía.

La diafonía se puede clasificar en diafonía capacitiva y diafonía de inductancia en función de diferentes causas. La diafonía capacitiva se refiere al voltaje desacoplado generado por la capacitancia desacoplada mutua, mientras que la diafonía de inductancia se refiere a la corriente desacoplada generada por la inductancia desacoplada mutua.

Según los lugares donde se produce la diafonía, la diafonía se puede clasificar en diafonía de extremo cercano y diafonía de extremo lejano. En la Figura 1, la diafonía de extremo cercano es la señal de interferencia generada por la señal de activación (1) en el extremo cercano de la línea de recepción, que suma la diafonía capacitiva (3) y la diafonía de inductancia (2). La diafonía en el extremo lejano es la señal de interferencia generada por la señal de activación (1) en el extremo más alejado de la línea de recepción, sumando inversamente la diafonía capacitiva (3) y la diafonía de inductancia (2).

La diafonía se genera entre dos conductores debido al desacoplamiento electromagnético. El análisis de la diafonía consiste en calcular el voltaje de interferencia de la inductancia de la señal de activación a ambos lados de la línea de recepción con la señal de activación proporcionada. V_R (0) se establece como el voltaje de interferencia en la línea receptora cuando X es igual a 0 mientras que V_R (L) es el voltaje de interferencia en la línea receptora cuando X es igual a L. Entonces se pueden obtener dos fórmulas:

El modelo de simulación de análisis de diafonía entre dos líneas de microcinta paralelas

En este artículo, la placa de circuito impreso utilizada en el modelo de simulación tiene un tamaño de 20x60 mm (ancho x largo) con fibra de vidrio laminada con epoxi FR-4 como material de sustrato cuya constante dieléctrica es 4.7. La figura 2 muestra la vista en sección del modelo de simulación.

En la Figura 2, la capa superior es el plano de cableado (plano de línea de microbanda) mientras que la capa inferior es el plano de imagen. La línea de microcinta es un conductor ideal, mientras que el plano de la imagen es un plano conductor ideal. Los parámetros de dos líneas paralelas de microcintas se pueden configurar como:L=40 mm, W=0,5 mm, H=0,3 mm. De acuerdo con la fórmula de la impedancia característica de la línea micro-strip ( ), la impedancia característica de la línea de microcinta es de 50 Ω.

Nota:0,38 mm

En la Figura 3, el primer puerto (P1) de la línea de emisión es el puerto fuente de interferencia. Cada puerto de la línea de emisión y la línea de recepción está conectado por la impedancia característica (50 Ω), por lo que la señal de diafonía se absorberá cuando llegue al extremo cercano y al extremo lejano de la línea de recepción y no volverá a influir en la diafonía. Como resultado, dos líneas de microcinta forman una red de 4 puertos cuyos parámetros S13 y S14 se pueden calcular respectivamente:, .

TR₀ se refiere a la diafonía de la línea de emisión al extremo cercano de la línea de recepción, mientras que TR_L se refiere a la diafonía de la línea de emisión al otro extremo de la línea de recepción.

Resultado de la simulación y discusión

• Intensidad de diafonía con el cambio de frecuencia

Las señales ordinarias son el resultado de la adición de ondas sinusoidales con diferentes frecuencias y rangos, por lo que es importante estudiar cómo cambia la diafonía de dos líneas de microbanda con la frecuencia de una sola onda sinusoidal.

Para reflejar mejor las reglas, la Figura 4 se obtiene con la distancia de cableado (D) con valores de 1 mm y 3 mm, mostrando cómo cambia la diafonía con la frecuencia.

Se puede concluir que en el rango de baja frecuencia, la intensidad de la diafonía tiene una relación lineal con la frecuencia de la señal, sin importar la diafonía del extremo lejano o la diafonía del extremo cercano. En el rango de diafonía de extremo cercano de alta frecuencia (S₁₃ ) muestra la fuerte vibración periódica con el aumento de la frecuencia, mientras que la diafonía en el extremo lejano se comporta de manera contraria. Esto se basa principalmente en las diferentes distancias entre la diafonía capacitiva y el extremo cercano/lejano, entre la diafonía de inductancia y el extremo cercano/lejano. En el rango de baja frecuencia, las fases son en su mayoría las mismas de estos dos tipos de diafonía y puertos y las fases relativas de la señal integrada tienen poca influencia en el alcance. Sin embargo, en el rango de alta frecuencia, bajo diferentes frecuencias, las fases tienen grandes diferenciales de estos dos tipos de señal de diafonía y puertos cuando el alcance de estos dos tipos de señal integrada de interferencia cambiará periódicamente con el cambio de fase, lo que conduce a la vibración obviamente periódica de extensión por frecuencia.

• Intensidad de diafonía con el cambio de distancia de cableado

Cuando la distancia del cableado (L) es de 40 mm, el grosor del sustrato (H) es de 0,3 mm y la frecuencia de la señal es de 2 GHz y 5 GHz, el resultado de la simulación de la intensidad de la diafonía con el cambio de la distancia del cableado se muestra en la Figura 5.

En esta figura, tanto la diafonía en el extremo cercano como la diafonía en el extremo lejano disminuyen a medida que aumenta la distancia del cableado. Cuando la distancia del cableado comienza a aumentar de 1 mm, la diafonía disminuye rápidamente, pero con el aumento de la distancia, la disminución de la diafonía se vuelve lenta. Obviamente, cuando la distancia es mayor que tres veces el ancho, la diafonía entre líneas no se puede mejorar aumentando la distancia entre líneas. Esto se debe a que cuando dos líneas de microcinta se acercan demasiado, tanto la capacitancia como la inductancia mutua serán tan prominentes que la diafonía aumentará sustancialmente.

• Intensidad de diafonía con el cambio de longitud de cableado

Cuando la distancia del cableado (D) es de 2,0 mm, el grosor del sustrato (H) de 0,3 mm y la frecuencia de la señal de 1 GHz y 5 GHz, el resultado simulado de la intensidad de la diafonía con el cambio de longitud se muestra en la Figura 6.

De acuerdo con la Figura 6, cuando la frecuencia de la señal es de 1 GHz, la intensidad tanto de la diafonía del extremo cercano como de la diafonía del extremo lejano aumentan con la extensión de la longitud paralela. Cuando la frecuencia de la señal alcanza los 5 GHz, la intensidad de la diafonía del extremo cercano aumenta con la extensión de la longitud paralela y la intensidad de la diafonía del extremo lejano vibra con la extensión de la longitud paralela. Esto se debe a que la longitud eléctrica del cableado es mayor a la frecuencia de 5 GHz que a la frecuencia de 1 GHz y las fases de diafonía capacitiva y diafonía de inductancia son sustancialmente diferentes en el puerto del extremo lejano.

• Intensidad de diafonía con el cambio de la distancia entre la línea de microcinta y el plano de la imagen

Para mantener la impedancia característica de la línea de microcinta en 50 Ω, el valor de W/H debe mantenerse en 1,82. Por lo tanto, en el modelo de simulación, la relación entre el ancho de la línea y la altura del plano de la imagen también se mantiene en 1,82.

una. Cuando la longitud del cableado (L) es de 40 mm, la distancia entre las dos líneas y sus bordes es de 1,0 mm y la frecuencia de la señal es de 2 GHz y 5 GHz, la intensidad de la diafonía con el cambio del grosor del plano de la imagen se muestra en la Figura 7.

Según la Figura 7, la intensidad de la diafonía aumenta con la extensión de la distancia, especialmente cuando la distancia está en el rango de 0 a 0,4 mm, la intensidad de la diafonía aumenta rápidamente y la velocidad tiende a disminuir con la extensión continua de la altura. . Cuando H es más de 0,5 mm, la intensidad de la diafonía básicamente permanece inmóvil. Esto se debe a que cuando la línea de microcinta está demasiado cerca del plano de la imagen, el desacoplamiento entre el cableado y el plano de la imagen se vuelve tan integrado mientras que el desacoplamiento entre el cableado es muy pequeño. Cuando aumenta la distancia entre la línea de la microcinta y el plano de la imagen, el desacoplamiento entre el cableado y el plano de la imagen se debilita mientras aumenta el desacoplamiento entre el cableado. Sin embargo, con el aumento de la distancia entre la línea de microbanda y el plano de la imagen, el desacoplamiento entre el cableado y el plano de la imagen se ha vuelto tan débil que tiene poca influencia en el desacoplamiento entre el cableado. Según el análisis anterior, la distancia entre la línea de transmisión y el plano de la imagen debe reducirse tanto como sea posible para disminuir mejor la diafonía.

b. Cuando la longitud del cableado (L) es de 40 mm, la distancia entre las líneas es dos veces el ancho de la línea y la frecuencia de la señal es de 2 GHz y 5 GHz, la intensidad de la diafonía con el cambio del grosor del plano de la imagen se muestra en la Figura 8.

De acuerdo con la Figura 8, la intensidad de la diafonía cambia poco con la distancia entre dos líneas múltiplo del ancho de la línea.

Sobre la base de la comparación entre las dos circunstancias, se puede concluir que con el aumento de la distancia entre la línea de la microcinta y el plano de la imagen, si la distancia entre las líneas permanece sin cambios, la intensidad de la diafonía aumentará y si la distancia es el múltiplo estable de ancho de línea, la intensidad de la diafonía casi permanece sin cambios.

Estrategias de Diseño de PCB

De acuerdo con el resultado del análisis anterior, a continuación se muestran algunas estrategias para disminuir la diafonía entre las líneas de transmisión:
a. Para PCB digitales de alta velocidad, los componentes cuya velocidad de flanco ascendente y flanco descendente del reloj es relativamente lenta deben tomarse para que la frecuencia de la señal pueda disminuir.
b. Debe evitarse el diseño paralelo de larga distancia.
c. La distancia entre dos líneas debe ampliarse.
d. Se debe usar un diseño de PCB multicapa para que se pueda disminuir la altura entre la línea de transmisión y el plano de la imagen. Si se deben usar PCB con un plano de imagen más alto, se debe ampliar la distancia entre las líneas de transmisión.

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