Nhiễu và tương thích trường điện từ

Nhiễu và tương thích trường điện từ TS. NGUYỄN Việt Sơn BM Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp Viện Điện Departement 3I Instrumentation and Idustrial Informatics C1-108 Hanoi University of Science and Technology 1 Dai Co Viet - Hanoi - Vietnam

Nhiễu và tương thích trường điện từ Tài liệu tham khảo 1. Dipak L. Sengupta; Valdis V. Liepa: Applied Electromagnetics and Electromagnetic Compatibility. Wiley (New York), 2006. 2. Morgan, D. A.: A Handbook for EMC Testing and Measurement Series. Peter Peregrinus (London), 1994. 3. Ott, H. W.: Noise Reduction Techniques in Electronics Systems, 2nd edition. Wiley (New York), 1988. 4. Paul, C. R.: Introduction to Electromagnetic Compatibility. Wiley (New York), 1992. 5. Sadiku M. N. O.: Elements of Electromagnetics, 2nd edition. Sauders/Harcourt Brace, 1994. 6. Richard L. O.: EMI Filter design, 2 nd edition, Eastern Hemisphere Distribution (United States of America), 2001. http://www.mica.edu.vn/perso/nguyen-viet-son/ee4523/

Nhiễu và tương thích trường điện từ Nội dung môn học Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu và EMC Nhiễu, các nguồn nhiễu điện từ cơ bản Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC Yêu cầu trong thiết kế chống nhiễu và EMC Chương 2: Phổ của tín hiệu biến thiên Tín hiệu tuần hoàn và phổ của tín hiệu tuần hoàn Phổ của một số dạng tín hiệu cơ bản Tín hiệu không tuần hoàn và phổ của tín hiệu không tuần hoàn

Nhiễu và tương thích trường điện từ Nội dung môn học Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn - Vấn đề bảo toàn tín hiệu Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn Đường truyền trên mạch in Ghép nối đường truyền - Vấn đề bảo toàn tín hiệu Chương 4: Phần tử không lý tưởng Đường truyền dẫn không lý tưởng Các phần tử thụ động (passive element) Vật liệu sắt từ Các vi mạch số

Nhiễu và tương thích trường điện từ Nội dung môn học Chương 5: Các dạng nhiễu điện từ trường Nhiễu truyền dẫn Hiện tượng phát sóng điện từ xung quanh đường truyền Hiện tượng xuyên âm Các ảnh hưởng từ nguồn Chương 6: Chống nhiễu điện từ trường Màn chắn điện từ Các giải pháp sử dụng nối đất Các bộ lọc và hệ thống cách ly Các yêu cầu thiết kế hệ thống để chống nhiễu điện từ trường

Nhiễu và tương thích trường điện từ Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC I. Nhiễu, các nguồn nhiễu điện từ cơ bản II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC III. Yêu cầu trong thiết kế chống nhiễu và EMC

Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & tương thích điện từ I. Nhiễu và các nguồn nhiễu điện từ cơ bản Các thiết bị điện, thiết bị thu phát, đường truyền tin chịu sự tác động rất lớn các sóng điện từ. Nguồn tạo ra các sóng điện từ: Đèn, rơ-le, động cơ điện 1 chiều, đèn huỳnh quang Đường dây cao thế tạo ra điện từ trường ở tần số 50/60 Hz Các thiết bị số (PC, PLC, micro controler, ) Ví dụ: Bật đèn neon khi đang nghe radio, xe máy/oto chạy qua khi đang xem tivi CRT, để loa gần màn hình CRT

Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC I. Nhiễu và các nguồn nhiễu điện từ cơ bản Yêu cầu thiết kế: Chịu ảnh hưởng ít nhiễu sự can thiệp không mong muốn của nhiễu điện từ từ các thiết bị khác Giảm tối thiểu phát xạ nhiễu điện từ sang các thiết bị xung quanh Thiết bị điện tương thích trường điện từ (ElectroMagnetic Compatibility EMC) là hệ thống/thiết bị điện có khả năng hoạt động tương thích với những hệ thống/thiết bị điện khác và: Không gây nhiễu cho môi trường Không chịu ảnh hưởng của nhiễu từ môi trường Không gây ra nhiễu cho chính nó

Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC I. Nhiễu và các nguồn nhiễu điện từ cơ bản Mục đích thiết kế EMC: Đảm bảo sự hoạt động ổn định các chức năng của thiết bị Cho phép thiết bị hoạt động tốt trong các điều kiện khác nhau Mở rộng thị trường cho các sản phẩm thương mại EMC là yêu cầu bắt buộc thiết kế và tích hợp triển khai hệ thống số: Nâng cao độ tin cậy của hệ thống Tăng tốc độ hoạt động (clock speeds) Tăng tốc độ truyền thông tin

Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC I. Nhiễu và các nguồn nhiễu điện từ cơ bản Một hệ thống truyền dẫn bao gồm 3 phần: Nguồn: Thiết bị tạo ra năng lượng, tín hiệu Truyền dẫn: Môi trường truyền năng lượng, tín hiệu Bộ thu: Thiết bị tiếp nhận năng lượng, tín hiệu từ nguồn phát ra. Nguồn (Bộ phát) Truyền dẫn (Đường truyền) Bộ thu (Nhận) Nhiễu điện từ có thể xuất hiện trên cả 3 khối: Nguồn, truyền dẫn và bộ thu. Việc đánh giá hệ thống EMC hay không dựa trên việc đánh giá hoạt động của bộ thu.

Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC I. Nhiễu và các nguồn nhiễu điện từ cơ bản Có nhiều phương pháp chống nhiễu cho hệ thống: Khử nhiễu từ nguồn phát Thiết kế đường truyền dẫn chống nhiễu tốt Chống nhiễu cho bộ thu Tiêu chí lựa chọn phương pháp chống nhiễu Hiệu quả chống nhiễu tốt Đơn giản và dễ thực hiện Chi phí thực hiện thấp

Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC I. Nhiễu và các nguồn nhiễu điện từ cơ bản EMC thường gồm 4 loại Radiated emissions Conducted emissions Radiated susceptibility Conducted susceptibility

Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC I. Nhiễu và các nguồn nhiễu điện từ cơ bản ESD (electrostatic discharge) EMP (electromagnetic pulse) Lightning TEMPEST (secure communication and date processing)

Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC Các tham số: Điện áp [V] Dòng điện [A] Cường độ điện trường E [V/m] Cường độ từ trường H [A/m] Công suất [W], mật độ công suất [W/m 2 ] Giá trị biến thiên trong một khoảng rộng Đơn vị đo được biểu diễn bằng db Đồng nhất các thứ nguyên về cùng một thang biến thiên Dễ đánh giá sự biến thiên của các tham số Thu hẹp dải biến thiên của các tham số

Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC Xét mô hình truyền dẫn tín hiệu P in V R 2 in Hệ số truyền đạt công suất: in P out V 2 out R L K P P V R 2 out out in 2 in in L P V R in decibel db Pout KP 10log 10 Pin

Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC Hệ số truyền đạt tín hiệu: Hệ số truyền đạt áp: K Hệ số truyền đạt dòng: V K V out db db out KV 10 Vin Vin I I 20log out db db out KI 10 Iin Iin V 20log Ví dụ 1.1: Tính hệ số truyền đạt của hệ thống truyền đạt năng lượng và tín hiệu trong thang db biết: P 1 = 1mW, P 2 = 20W, V 1 = 10mV, V 2 = 20μV, I 1 = 2mA, I 2 = 0,5A db KP 6 20 db 20.10 10 log10 43dB 3 10 KV 20 log10 54dB 3 10.10 db 0,5 KI 20 log10 48dB 3 2.10 I

Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC Giá trị tham số biểu diễn bằng db cho biết giá trị của tham số đó so với giá trị đơn vị chuẩn [V] [V] dbv 20 log 10 ; dbmv 20 log 10 1V 1mV [A] [A] dba 20 log 10 ; dbma 20 log 10 1 A 1mA [W] [W] dbw 10 log 10 ; dbmw dbm 10 log10 1W 1mW

Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC Cường độ điện trường E [V/m], từ trường H [A/m] [V/m] [V/m] dbv / m 20 log 10 ; dbmv / m 20 log 10 1 V / m 1 mv / m [A/m] [A/m] dba / m 20 log 10 ; dbma / m 20 log 10 1 A / m 1 ma / m Việc biểu diễn các giá trị trong thang db cho phép tính toán một cách đơn giản quan hệ công suất, tín hiệu giữa đầu vào, đầu ra của các khâu truyền đạt P K P ; V K V db db db db db db out P in out V in I K I db db db out I in

Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC II.1 Tổn hao công suất trên đường truyền Xét một đường dây dài đều làm việc ở chế độ xác lập điều hòa Phương trình mô tả sóng điện áp và dòng điện trên đường dây có dạng:... z j z z j z V() z V e e V e e... V V I() z e e e e Z Z C z j z z j z C Z C : tổng trở sóng của đường dây α: hệ số tắt [Np/m] β: hệ số pha [rad/m]

Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC II.1 Tổn hao công suất trên đường truyền...... z j z z j z V z j z V z jz V( z) V e e V e e ; I( z) e e e e Z Z C t t v( z, t) V e cos( t z ) V e cos( t z ) V t V t i ( z, t ) e t z Z e t z C ZC Z cos( ) Z cos( ) C.. V () z V n() z e e n V () z V b 2z j2z L C.. zl Z f L ZC C Z Z Nếu Z L = Z C (hòa hợp tải), không có sóng phản xạ trên dây. Vz () ZLZC Z ( z) Z ( z) Z in. in C Iz () C

Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC II.1 Tổn hao công suất trên đường truyền Công suất truyền đạt tại vị trí z trên đường dây..* 1 Pav( z) Re[ V( z). I ( z)] 2 Các đường dây có thông số khác nhau (ɛ r, μ r ) sẽ có hệ số truyền sóng và suy hao công suất trên đường truyền khác nhau. v 0 v r r v 0 : vận tốc truyền sóng trong chân không (3.10 8 m/s) ɛ r : hằng số điện môi của các chất điện môi μ r : hệ số từ thẩm Tổn hao trên đường truyền gồm 2 nguyên nhân: Tổn hao trên điện dẫn Tổn hao trên điện môi Điện trở của dây dẫn tăng tỉ lệ với f giá trị tổn hao trên đường truyền được tính theo từng giá trị tần số làm việc của tín hiệu

Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC II.1 Tổn hao công suất trên đường truyền Khi tải hòa hợp: Trên đường dây chỉ có sóng thuận 1 V P ( z) e cos ( Z Z Z ) 2 2 z av Z C L C C Z 2 ZC Công suất cung cấp ở đầu đường dây: P 2 1 V ( z0) cos av Z 2 Z C C Công suất truyền đến cuối đường dây: 1 V P z L e 2 2 L av( ) cos 2 ZC Công suất tiêu tán trên đường truyền: Powerloss P ( z 0) P av in P ( z L) P av out Z C e 2 L C

Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC II.1 Tổn hao công suất trên đường truyền Các nhà sản xuất cáp điện sẽ cũng cấp hệ số tổn hao công suất của cáp Hệ số tắt: Chú ý: L Cable lossdb e 2 _ 10log10 8,686 L db P loss per length 8,686L Tổn hao công suất tính trên 1 đơn vị độ dài của nhà sản xuất Các thông số của cáp (tổn hao công suất, hệ số tắt, ) thường được tính toán trong điều kiện tải hòa hợp. Trong điều kiện không hòa hợp tải, các công thức trên không đúng. Trong nhiều trường hợp, việc tổn hao công suất trên cáp là nhỏ trở kháng được coi gần đúng là số thực tải hòa hợp được sử dụng là điện trở.

Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC II.2 Đặc tính nguồn tín hiệu = 50Ω Các nguồn tín hiệu (xung, hình sin) đều có thể được mô hình hóa thành sơ đồ mạng 1 cửa Thevenin: V OC : Điện áp hở mạch trên cửa R S : Điện trở của nguồn (50Ω) Phần lớn thiết bị đo có mô hình mạch dạng C in & R in trong đó: C in = 0 R in = 50Ω (chuẩn công nghiệp)

Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC II.2 Đặc tính nguồn tín hiệu Xét mô hình đo: Nguồn tín hiệu: Z in = R in = 50Ω Cáp xoắn: Z C = 50Ω Mạch đo: Z in = 50Ω Công suất thu: P receive P out of cable P in of cable. P source Thỏa mãn điều kiện hòa hợp tải Prec dbm Cable gaindb Psource dbm

Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & tương thích điện từ III. Yêu cầu trong thiết kế chống nhiễu và EMC Các yêu cầu trong thiết kế EMC gồm 2 nhóm Các yêu cầu (chính sách) của các cơ quan nhà nước Nhằm mục đích giảm sự tác động, gây nhiễu giữa các thiết bị, hệ thống. Một thiết bị, hệ thống điện sẽ có được thị trường nếu nó thỏa mãn các yêu cầu của nước sở tại. Thỏa mãn các yêu cầu này không đồng nghĩa với việc thiết bị đó không gây nhiễu (chống nhiễu) với (từ) các thiết bị khác Các yêu cầu này là bắt buộc đối với mỗi nhóm sản phẩm

Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & tương thích điện từ III. Yêu cầu trong thiết kế chống nhiễu và EMC Các yêu cầu trong thiết kế EMC gồm 2 nhóm Các yêu cầu của các nhà sản xuất Hướng đến từng sản phẩm cụ thể Đảm bảo chất lượng, độ tin cậy, độ bền của sản phẩm Thỏa mãn các yêu cầu của người tiêu dùng Các yêu cầu EMC là yếu tố quan trọng giúp cho các thiết bị điện có được vị trí và mở rộng được thị trường.

Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & tương thích điện từ III. Yêu cầu trong thiết kế chống nhiễu và EMC Các yếu tố ảnh hưởng đến việc thiết kế EMC Chống nhiễu đối với các điều kiện làm việc đặc biệt của thiết bị: Bộ thu phát AM/FM, radar hoạt động gần các đường dây truyền tải cao áp, nhiễu từ nguồn cung cấp: Sét, chập mạch, ngắn mạch, đóng cắt các tải công suất lớn. Phóng điện (ESD): Thiết bị số, vi mạch tích hợp, mạch nhớ Chi phí sản xuất cho thiết bị đảm bảo tính cạnh cao của thiết bị Khả năng tiêu thụ của sản phẩm: Chất lượng, tính năng, mẫu mã, giá thành, thói quen tiêu dùng Kế hoạch phát triển sản phẩm: Chiến lược kinh doanh, mẫu mã mới, tính năng mới

Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & tương thích điện từ III. Yêu cầu trong thiết kế chống nhiễu và EMC Ưu điểm của thiết kế EMC Giảm thiết các chi phí bổ sung khi thiết kế thiết bị phù hợp với các yêu cầu về EMC Đảm bảo kế hoạch phát triển dài hạn sản phẩm Đảm bảo sự hoạt động ổn định của sản phẩm trong các điều kiện thực tế khác nhau

Nhiễu và tương thích trường điện từ Chương 2: Phổ của tín hiệu biến thiên I. Tín hiệu tuần hoàn và phổ của tín hiệu tuần hoàn II. Phổ của một số dạng tín hiệu cơ bản III. Tín hiệu không tuần hoàn và phổ của tín hiệu không tuần hoàn

Chương 2: Phổ của tín hiệu biến thiên I. Tín hiệu tuần hoàn và phổ của tín hiệu tuần hoàn Trong miền thời gian, các tín hiệu có hình dáng (waveforms) lặp lại sau một khoảng thời gian nhất định được gọi là các tín hiệu tuần hoàn (chu kỳ ). Phân loại: x( t kt) x( t ) k 1,2,3,... T 1 2 f 0 0 Tín hiệu chu kỳ Tín hiệu không chu kỳ Tín hiệu tiền định Tín hiệu không tiền định (tín hiệu ngẫu nhiên)

Chương 2: Phổ của tín hiệu biến thiên I. Tín hiệu tuần hoàn và phổ của tín hiệu tuần hoàn Theo khai triển chuỗi: x( t) c ( t) c ( t) c ( t) c ( t)... n0 n n o 0 1 1 2 2 Với hệ thống tuyến tính có tính chất xếp chồng: x(t) Hệ thống tuyến tính y(t) Ứng dụng: Đơn giản hóa việc tính đáp ứng y(t) theo x(t) () t Hệ thống tuyến tính nn y t n n n0 n0 x( t) c ( t) i yi () t ( ) c y ( t) Sự tác động của các tín hiệu đầu vào đến đáp ứng đầu ra

Chương 2: Phổ của tín hiệu biến thiên I. Tín hiệu tuần hoàn và phổ của tín hiệu tuần hoàn Phổ của tín hiệu tuần hoàn Tín hiệu tuần hoàn Phổ biên độ Nhận xét: Phổ pha Phổ vạch Dải phổ cho thông tin về dải tần số mà năng lượng tín hiệu phân bố

Chương 2: Phổ của tín hiệu biến thiên II. Phổ của một số tín hiệu cơ bản Xung hình thang Biên độ xung Sườn lên, sườn xuống Độ rộng xung Đặc tính phổ theo sự thay đổi của các tham số: Các xung có thời gian sườn lên và sườn xuống nhỏ sẽ có phổ tần số cao rộng hơn so với các xung có thời gian sườn lên và sườn xuống lớn. Do đó, để giảm phổ của các tần số cao (giảm sự phát xạ của thiết bị, cần tăng thời gian sườn xung của tin hiệu clock, dữ liệu.

Chương 2: Phổ của tín hiệu biến thiên II. Phổ của một số tín hiệu cơ bản Tín hiệu và phổ của xung vuông: 1V, 1MHz, thời gian sườn xung 20ns Tín hiệu và phổ của xung vuông: 1V, 1MHz, thời gian sườn xung 5ns

Chương 2: Phổ của tín hiệu biến thiên II. Phổ của một số tín hiệu cơ bản Đặc tính phổ theo sự thay đổi của các tham số: Khi độ rộng xung giảm sẽ làm giảm các giá trị phổ ở vùng tần số thấp nhưng không ảnh hưởng đến các giá trị phổ ở vùng tần số cao của tín hiệu. Hiện tượng dao động trong mạch số:

Chương 2: Phổ của tín hiệu biến thiên III. Tín hiệu không tuần hoàn - Phổ của tín hiệu không tuần hoàn Để tính toán phổ của tín hiệu không tuần hoàn: Coi tín hiệu không tuần hoàn giống như tín hiệu tuần hoàn Chu kỳ bằng vô cùng Phổ của tín hiệu không tuần hoàn là phổ đặc

Nhiễu và tương thích trường điện từ Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn II. Đường truyền trên mạch in III. Ghép nối đường truyền - Vấn đề bảo toàn tín hiệu 1

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn I.1. Mô hình đường dây truyền dẫn Trong hệ thống số/tương tự, các tín hiệu được truyền trên các đường truyền dẫn (các dây dẫn hình trụ) Phân loại mô hình đường truyền dẫn: Đường truyền 2 dây: Nguồn tín hiệu đặc trưng bằng mạng 1 cửa Thevenin Tải tuyến tính, thuần trở 2

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn I.1. Mô hình đường dây truyền dẫn Phân loại mô hình đường truyền dẫn: Đường truyền 1 dây so đất: Đường truyền cáp đồng trục 3

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn I.1. Mô hình đường dây truyền dẫn Vào khoảng thập niên 1980, việc ghép nối các đường truyền dẫn thường đơn giản: Điện áp, dòng điện tại đầu và cuối của các đường truyền dẫn là giống nhau. Tuy nhiên, ngày nay khi tốc độ xung nhịp (tần số của tín hiệu) tăng lên cần chú ý sự ảnh hưởng của đường truyền dẫn đối với tín hiệu. Vấn đề cần giải quyết: Hạn chế sự ảnh hưởng của đường truyền dẫn đối với tín hiệu Bảo đảm tính toàn vẹn của tín hiệu trên đường truyền Thời gian truyền Hiện tượng phản xạ sóng 4

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn I.1. Mô hình đường dây truyền dẫn L T D () s v Với mô hình đường truyền 2 dây và 1 dây so đất: Coi không gian xung quanh dân dẫn là chân không (~ không khí) 5

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn I.1. Mô hình đường dây truyền dẫn L T D () s v Với mô hình đường truyền cáp đồng trục: Môi trường xung quanh dây dẫn là chất điện môi (μ r =1, ε r > 1) tốc độ truyền tín hiệu giảm 1 v0 v 0 0 r r r ε r = 4,7 6

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn I.1. Mô hình đường dây truyền dẫn L T D () s v Với mô hình đường truyền đi dây trên mạch in như dưới đây, việc tính tốc độ truyền tín hiệu phức tạp hơn 1 v 1 4,7 ; r 2,85 2 v 0 0 0 r r r 7

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn I.2. Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn Xét đường truyền dẫn 2 dây đặt song song với trục z, đặt lên chúng điện áp V xuất hiện cường độ điện trường E T nối kín mạch có dòng điện I Mô hình thông số rải của đường dây truyền dẫn: C: điện dung tính trên đơn vị dài [F/m] L: điện cảm tính trên đơn vị dài [H/m] Quá trình truyền tín hiệu trên đường dây tạo ra các quá trình nạp/xả năng lượng trên C, L của đường dây tạo độ trễ tín hiệu (thời gian truyền sóng) 8

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn I.2. Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn Xét vi phân độ dài đường truyền dẫn z Applying KVL: I( z, t) V( z z, t) V( z, t) Lz t V( z z, t) V( z, t) V( z, t) lim z 0 z z V( z, t) I( z, t) L z t V( z z, t) Applying KCL: I( z z, t) I( z, t) Cz t I( z z, t) I( z, t) I( z, t) I( z, t) V( z, t) lim C z 0 z z z t 9

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn I.2. Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn Ta có hệ phương trình mô tả đường dây truyền dẫn V( z, t) I( z, t) L z t I( z, t) V( z, t) C z t 2 2 V( z, t) V( z, t) LC 2 2 z t 2 I z t 2 (, ) I( z, t) Đây là hệ phương trình mô tả quá LC 2 2 z t trình truyền tín hiệu trên đường dây. 10

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn I.2. Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn 2 2 Phương trình mô tả đường dây truyền dẫn: V( z, t) V( z, t) LC 2 2 z t Nếu môi trường đồng chất: Hệ số điện 2 I z t 2 môi ɛ, hệ số từ thẩm môi trường μ μ 0 = 1 (, ) I( z, t) LC 2 2 z t LC 1 L Cv 2 1 v 0 v 1 C r Lv 2 Nếu môi trường không đồng chất: Hệ số điện môi trung bình LC v 0 0 v ' 0 r ' r 11

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn I.3. Một số mô hình đường dây truyền dẫn Xét đường dây truyền dẫn mang thông tin Từ trường của dây dẫn Mô hình truyền dẫn 2 dây Điện trường của dây dẫn Mô hình xác định L của dây truyền tin Mô hình xác định C của dây truyền tin 12

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn I.3. Một số mô hình đường dây truyền dẫn Mô hình truyền dẫn 2 dây Mô hình xác định L của dây truyền tin Mô hình xác định C của dây truyền tin s s L 0 ln 0,4 ln [ H/m] rw rw 0 27,78 C [pf/m] s s ln ln rw rw r r r w1 w2 w 13

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn I.3. Một số mô hình đường dây truyền dẫn Mô hình truyền dẫn 1 dây so đất Xét đường dây truyền dẫn kích thước r w Khoảng cách đất và dây: h 2 0 C [F/m] h>>r 2h ln rw 0 2h L ln [H/m] h>>r 2 rw w w Phương pháp soi ảnh xác định C trong mô hình truyền dẫn 1 dây so đất Trong chân không (không khí) 0 0 8,854.10 12 7 4.10 Tm / A 14

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn I.3. Một số mô hình đường dây truyền dẫn Mô hình truyền dẫn cáp đồng trục Sự phân bố đối xứng của vector cường độ điện trường E trong cáp đồng trục 2 55,56 r C [pf/m] r s rs ln ln rw rw Mô hình xác định L của cáp đồng trục r s rs L 0 ln 0,2 ln [ H/m] 2 rw rw 15

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn I.3. Một số mô hình đường dây truyền dẫn Ví dụ 3.1: Tính thông số của đường dây truyền dẫn có cấu trúc theo mô hình truyền dẫn 2 dây biết kích thước dây r w = 7,5mil, khoảng cách 2 dây là 50mil. Áp dụng công thức tính thông số của đường dây theo mô hình truyền dẫn 2 dây, ta có: L C 0,4 ln s =0.759H/m r 0,4 ln 50 w 7,5 27,78 27,78 =14,64pF/m s 50 ln ln rw 7,5 16

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn I.3. Một số mô hình đường dây truyền dẫn Ví dụ 3.2: Tính thông số của đường dây truyền dẫn có cấu trúc theo mô hình truyền dẫn 1 dây so đất biết kích thước dây r w = 16 mil, khoảng cách dây với đất h = 1cm. Áp dụng công thức tính thông số của đường dây theo mô hình truyền dẫn 1 dây so đất, ta có: 12 2 0 2.8,854.10 C 14,27 pf / m 2h 2.393,7 ln ln rw 16 7 0 2h 4.10 2.1 L ln ln 0,779 H / m 2 rw 2 0.04064 1mils 0,0254mm 17

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn I.3. Một số mô hình đường dây truyền dẫn Ví dụ 3.3: Tính thông số của đường cáp đồng trục RG58U biết bán kính lõi cáp 16mils, bán kính vỏ cáp 58 mils, chất điện môi giữa cáp và vỏ có hệ số điện môi ɛ r = 2,3. Tính vận tốc truyền tín hiệu trong cáp. Áp dụng công thức tính thông số của đường dây theo mô hình truyền dẫn cáp đồng trục, ta có: 55,56 r 55,56.2,3 C 99.22 pf / m r 58 s ln ln rw 16 r s 58 L 0,2 ln 0,2 ln 0,258 H / m rw 16 1 1 v 8 1,976.10 m / s 6 12 LC 0,258.10.99,22.10 18

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu II. Đường truyền trên mạch in Các thông số cơ bản của đường dây dài Tổng trở sóng: Vận tốc truyền sóng: ZC L L v Z C [ ] C L 1 v C 0 v vz ' LC Xét mô hình đường truyền trên mạch in: Mạch in nhiều lớp, phủ đất r C Z C 30 1 w r e 0,441 s w w w 0,35 s s e 2 s w w w 0,35 0,35 s s s 19

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu II. Đường truyền trên mạch in Ví dụ 3.4: Tính thông số của mạch in nhiều lớp biết khoảng cách giữa 2 lớp phủ đất s = 20mils, độ rộng đi dây mạch in w = 5mils, hệ số điện môi của chất nền mạch in ε r = 4,7. Áp dụng công thức tính thông số của mạch in nhiều lớp, ta có: 2 we w w 0,35 0,24 s s s 30 1 30 1 ZC 63,84 we 0,24 0, 441 r 0,441 4,7 s Z C Z C r L L L 0.461 H / m ZC C 113,2 pf / m v v 0 C Z 2 C 20

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu II. Đường truyền trên mạch in Tín hiệu + đất phủ trên 2 mặt đối diện Z C 60 8h w w ln 1 ' w 4h h r 1 120 w w w 1,393 0,667 ln 1, 444 1 ' h h r h Trong đó: ' r 1 r 1 1 r 2 2 110 h/ w r ' r r 1 2 h h w w Công thức gần đúng: Z C 87 5,89h t ln 0,1 0.8 1,41 8w t w r 21

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu II. Đường truyền trên mạch in Ví dụ 3.5: Tính thông số của mạch in có cấu trúc như hình vẽ, biết độ dày phôi h = 50mils, độ rộng đi dây w = 5mils, hệ số điện môi của chất nền mạch in ε r = 4,7. Áp dụng công thức tính thông số mạch in, ta có: ' r 1 r 1 1 r 3,034 2 2 110 h/ w Do w h 5 60 8h w 0,1 1 ZC ln 50 150,956 ' w 4h ' Z C Z C. r 150,956. 3,034 L 0,877 H / m 8 v v0 3.10 L C 38,49 pf / m Z 2 C r 22

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu II. Đường truyền trên mạch in Mạch in đi dây một mặt 120 1 k 1 ln 2 k 1 ' 1 k 2 r ZC 377 1 0 k k ' 1 ' 2 r ln 2 1 k ' s 2 Trong đó: k ; k ' 1 k s 2w ' r 1 h kw r tanh 0,775ln 1,75 0,04 0,7 k 0,01 1 0,1 r 0,25 k 2 w h 23

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu II. Đường truyền trên mạch in Ví dụ 3.6: Tính thông số của mạch in đi dây một mặt có cấu trúc như hình vẽ, biết độ khoảng cách đi dây s = 15mils, độ rộng đi dây w = 15mils, độ dày chất nền h = 62mils, hệ số điện môi của chất nền ε r = 4,7. Áp dụng công thức tính thông số mạch in, ta có: s 1 k = ; k ' 1 2 k 0,943 ' r 2.358 s 2w 3 Do 1 1 k < =0,7 3 2 ' Z C Z C. r 157,036. 2.358 L 0,804 H / m 8 v v0 3.10 L C 38,53 pf / m Z 2 C 377 ZC 157,036 ' 1 k ' r ln 2 1 k ' 24

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu II. Đường truyền trên mạch in Mạch in đi dây 2 mặt w Với 1 h Z C r w h w Với h 377 r 1 w r 1 0, 441 ln 0,94 1, 451 0,082 2 2 r h r 1 Z C 2 377 2 4h 1 w 1 r 1 0,242 ln 0, 452 w h r r 1 8 2 1 r 25

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu III. Ghép nối đường truyền Vấn đề bảo toàn tín hiệu Trong hệ thống số, xung nhịp tín hiệu thường rất lớn (~3GHz trong máy tính) cho phép tăng tốc truyền dữ liệu. Tốc độ truyền dữ liệu sẽ quyết định tốc độ (hiệu năng) làm việc của hệ thống. Một trong những yếu tố chính quyết định tốc độ truyền dữ liệu là thời gian trễ (time delay) khi truyền tín hiệu trên các đường truyền dẫn. Trong hệ thống truyền dẫn tần số cao, có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu truyền dẫn: Đồng bộ xung tín hiệu giữa các môđun (clock skew). Nhiễu mức logic (0, 1) Sự gián đoạn của đường truyền dẫn (lỗ via trên mạch in ) Bảo toàn tín hiệu (signal integrity) là bài toán xây dựng hệ thống truyền dẫn thông tin không chịu sự tác động của đường truyền dẫn. 26

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu III. Ghép nối đường truyền Vấn đề bảo toàn tín hiệu Ví dụ 3.7: Vấn đề về clock skew trong hệ thống số tdelay #1 TD1TD2 tdelay #2 TD1 TD2 TD3 t t clocks kew delay #2 delay #1 t TD1 TD2 TD3 t delay #1 delay #2 no clocks kew 27

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu III. Ghép nối đường truyền Vấn đề bảo toàn tín hiệu Ví dụ 3.8: Xét mạch in gồm 2 vi mạch CMOS. Kích thước mạch in như hình vẽ. Thông số của đường truyền: ' r 1 r 1 1 r 3,54 2 2 110 h/ w v0 8 L v 1,59.10 m / s TD 1,255ns ' v r w h r 4,7 100 1,6 1 62 Z C 120 w w 1,393 0,667 ln 1, 444 53, 4 ' h h r 1 ' Z ZC. C r L L 0,335 H / m ; C 117,5 pf / m 2 v v Z 0 C 28

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu III. Ghép nối đường truyền Vấn đề bảo toàn tín hiệu Ví dụ 3.8: Xét mạch in gồm 2 vi mạch CMOS. Kích thước mạch in như hình vẽ. Mô hình hóa mạch CMOS inverter: V S = 2,5V, f = 25MHz, thời gian sườn xung 2ns, 50% duty cycle Trở kháng ra 25Ω Trở kháng vào 5pF Điện áp tại đầu vào mạch CMOS dao động sai lệch mức logic. Nguyên nhân: Vấn đề phối hợp trở kháng 29

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu III. Ghép nối đường truyền Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.1. Ảnh hưởng của tải cuối dây Xét mạch logic số dùng vi mạch CMOS Thay thế Gate 1 bằng sơ đồ Thevenin Gate 2 bằng tải R L Trong các hệ thống số, thường xuyên xảy ra các dao động ngoài mong muốn tại ví trí ghép nối do vấn đề hòa hợp tải 30

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu III. Ghép nối đường truyền Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.1. Ảnh hưởng của tải cuối dây Sử dụng sơ đồ Thevenin để mô hình hóa cổng CMOS: Gate 1: Nguồn áp + R S = 10Ω Gate 2: Hở mạch Hệ số phản xạ đầu dây n S RS ZC 10 50 2 R Z 10 50 3 S C Hệ số phản xạ cuối dây truyền dẫn n L ZL ZC 50 1 Z Z 50 ZC 50 Điện áp tại đầu đường dây: Vinit VS 5 4,17V Z R 10 50 C S L C 31

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu III. Ghép nối đường truyền Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.1. Ảnh hưởng của tải cuối dây Điện áp cuối dây: Dao động 8.33-2.78V sai lệch mức logic (0, 1) Nguyên nhân: n S và n L trái dấu 32

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu III. Ghép nối đường truyền Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.1. Ảnh hưởng của tải cuối dây Quan hệ giữa hệ số phản xạ đến điện áp cuối dây truyền dẫn n S R R S S Z Z C C n L R R L L Z Z C C Điện áp trên tải (-) R S < Z C (+) R L > Z C (+) R S > Z C (-) R L < Z C (+) R S > Z C (+) R L > Z C (-) R S < Z C (-) R L < Z C 33

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu III. Ghép nối đường truyền Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.1. Ảnh hưởng của tải cuối dây Xét tổng trở cuối dây là C (CMOS input logic gates) Coi nguồn hòa hợp với đường dây RS ZC RS ZC ns 0 R Z Hệ số phản xạ cuối dây Điện áp trên tải: S n L C Z Z L L Z Z C C Trễ hơn so với áp nguồn T D Trễ t d do tính chất của tải t d 0,693. C. Z C 34

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu III. Ghép nối đường truyền Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.1. Ảnh hưởng của tải cuối dây Xét tổng trở cuối dây L Coi nguồn hòa hợp với đường dây RS ZC RS ZC ns 0 R Z Hệ số phản xạ cuối dây S n L C Z Z L L Z Z C C Điện áp trên tải: Trễ hơn so với áp nguồn T D 35

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu III. Ghép nối đường truyền Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Phối hợp trở kháng với đường truyền dẫn Khi trở kháng tại các vị trí ghép nối không hòa hợp với đường truyền sẽ gây ra sự ảnh hưởng lên tín hiệu truyền dẫn ảnh hưởng đến tín hiệu trên đường truyền. Phối hợp trở kháng: Mắc trở kháng nối tiếp (hòa hợp nguồn) Mắc trở kháng song song (hòa hợp tải) 36

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu III. Ghép nối đường truyền Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Phối hợp trở kháng với đường truyền dẫn Phối hợp trở kháng: ZC V0 Mắc trở kháng nối tiếp: RS R Z V C L V0 R R Z 2 S C Nếu R L =, hệ số phản xạ n L = 1 V L = V 0 (đảm bảo mức logic) Nếu tải ở trạng thái cao trở trong mạch không có dòng điện 37

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu III. Ghép nối đường truyền Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Phối hợp trở kháng với đường truyền dẫn Phối hợp trở kháng: RR. Mắc trở kháng song song: L R R L Z C ZC Vinit V0 R Z S C Trên dây truyền dẫn không có áp phản xạ, áp trên tải < V 0 Khi tải ở trạng thái cao trở trong mạch có dòng điện, gây tổn hao công suất 38

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu III. Ghép nối đường truyền Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Phối hợp trở kháng với đường truyền dẫn Ví dụ: Xét 2 mạch logic đảo CMOS. Đặc tính đường truyền: Z T C D 50 0,2ns Mô hình hóa theo sơ đồ Thevenin Đầu vào mạch CMOS: 5pF Nguồn: V S (t): 0 5V, R S = 20Ω Mạch không phối hợp trở kháng ở cả nguồn và tải 39

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu III. Ghép nối đường truyền Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Phối hợp trở kháng với đường truyền dẫn Ví dụ 3.9: Xét 2 mạch logic đảo CMOS. Phối hợp trở kháng tại nguồn Tín hiệu tại đầu ra của mạch CMOS Tín hiệu tại đầu vào mạch CMOS (sau khi phối hợp trở kháng) Tín hiệu tại đầu vào mạch CMOS (khi chưa phối hợp trở kháng) 40

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu III. Ghép nối đường truyền Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Phối hợp trở kháng với đường truyền dẫn Ví dụ 3.9: Xét 2 mạch logic đảo CMOS. Phối hợp trở kháng với tải Tín hiệu tại đầu ra của mạch CMOS Tín hiệu tại đầu vào mạch CMOS (sau khi phối hợp trở kháng) Tín hiệu tại đầu vào mạch CMOS (khi chưa phối hợp trở kháng) 41

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu III. Ghép nối đường truyền Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Phối hợp trở kháng với đường truyền dẫn Có thể bỏ qua vấn đề hòa hợp tải với đường truyền dẫn nếu: Mức logic điện áp trên tải đúng với mức logic yêu cầu Dạng sóng điện áp trên tải đảm bảo yêu cầu cần thiết Xét đường dây truyền dẫn: Có thể bỏ qua sự ảnh hưởng của đường truyền dẫn nếu: 1 v L 1 1 1 L T 10T 10 f v 10 f 10 max D r r D max v: vận tốc truyền sóng trên dây τ r : thời gian sườn lên của xung f max : tần số max của tín hiệu truyền dẫn L: chiều dài đường truyền dẫn T D : thời gian trễ của đường truyền 42

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu III. Ghép nối đường truyền Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Phối hợp trở kháng với đường truyền dẫn Ví dụ 3.10: Xét 2 mạch logic đảo CMOS. Đặc tính đường truyền: Z T C D 50 0,2ns Mô hình hóa theo sơ đồ Thevenin Đầu vào mạch CMOS: 5pF Nguồn: V S (t): 0 5V, R S = 20Ω 43

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu III. Ghép nối đường truyền Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Phối hợp trở kháng với đường truyền dẫn Ví dụ 3.10: Xét 2 mạch logic đảo CMOS. τ r = 0,2ns = T D, V 7V τ r = 1ns = 5T D, V 6V τ r = 2ns = 10T D, V 5,3V τ r = 4ns = 20T D, V 5,2V 44

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu III. Ghép nối đường truyền Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Ảnh hưởng của đường truyền dẫn không liên tục Nguyên nhân: Kích thước đường truyền dẫn thay đổi Đặc tính đường truyền thay đổi Môi trường truyền dẫn thay đổi Xét đường truyền dẫn như hình vẽ Sóng tới từ đường truyền 1 n 12 Z vr n v C2 ZC1 1 12 i1 Z Z v v v C2 C1 t2 i1 r1 v 2Z v C2 t2 i1 ZC1 ZC2 45

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu III. Ghép nối đường truyền Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Ảnh hưởng của đường truyền dẫn không liên tục Xét đường truyền dẫn như hình vẽ Sóng phản xạ từ đường truyền 2: n 21 Z vr n v C1 ZC2 2 21 i2 Z Z v v v C2 C1 i2 r2 t1 v 2Z v C1 t1 i2 ZC1 ZC2 46

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu III. Ghép nối đường truyền Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Ảnh hưởng của đường truyền dẫn không liên tục Ví dụ 3.11: Xét 2 đường truyền dẫn mắc nối tiếp với nhau. Biểu diễn sóng điện áp trên tải và tại điểm nối giữa 2 đường truyền Xét sóng tới từ đường dây 1: Hệ số phản xạ sóng và hệ số truyền sóng tại A: n 12 ZC2 ZC1 100 50 1 Z Z 100 50 3 C2 C1 T 12 2ZC2 200 4 Z Z 100 50 3 C1 C2 Xét sóng tới từ đường dây 2: Hệ số phản xạ sóng và hệ số truyền sóng tại A: n 21 ZC1 ZC2 50 100 1 Z Z 100 50 3 C2 C1 T 21 2ZC 1 100 2 Z Z 100 50 3 C1 C2 47

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu III. Ghép nối đường truyền Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Ảnh hưởng của đường truyền dẫn không liên tục Ví dụ 3.11: Điện áp tại đầu đường dây 1: ZC1 Vinit. VS 2,5V R Z S C1 Sóng áp 2,5V trễ 1ns để truyền tới A Áp phản xạ tại A: 2,5. n 0,833V 12 Áp khúc xạ tại A: T 2,5. 3,333V Thời gian áp khúc xạ tại A tới B:2ns(3ns) 12 Cuối dây 2 hở mạch phản xạ toàn phần cuối dây: VB 6,667V 48

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu III. Ghép nối đường truyền Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Ảnh hưởng của đường truyền dẫn không liên tục Ví dụ 3.11: Thời gian sóng phản xạ tại B (3,333V) chạy về A: 2ns (5ns) Sóng phản xạ đến A tạo sóng khúc xạ: 3,333. T 2,222V 21 Thời gian sóng khúc tại A chạy đến đầu đường 1: 1ns (6ns) Tại đầu đường 1, tải hòa hợp dây hệ số phản xạ = 0 Tại A, sóng phản xạ: n 3,333. 1,111V 21 VB 6,667V 49

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu III. Ghép nối đường truyền Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Ảnh hưởng của đường truyền dẫn không liên tục Ví dụ 3.11: Thời gian sóng phản tại A chạy đến cuối dây 2: 2s (7s) Sóng phản tại A chạy đến cuối dây 2 phản xạ toàn phần VB 4,444V Quá trình phản xạ nhiều lần tiếp tục xảy ra tại B, A: Sóng phản xạ tại B là sóng tới tại A 1,111. n 0,37V tai t = 9ns 21 Sóng tới tại A, phản xạ quay lại B VB 5,185V tai t = 11ns 50

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu III. Ghép nối đường truyền Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Ảnh hưởng của đường truyền dẫn không liên tục Ví dụ 3.12: Khảo sát điện áp trên tải biết các thông số đường truyền dẫn không liên tục Trong trường hợp này nguồn và tải đều thỏa mãn điều kiện phối hợp trở kháng ZC 1 Vinit. VS 2,5V R Z S C1 Thời gian sóng từ đầu dây đến vị trí không liên tục T D1 Tại vị trí nối: Sóng phản xạ: (V S /2).n 12 Sóng khúc xạ: (V S /2).T 12 Sóng khúc xạ là sóng tới với tải, trễ khoảng thời gian: T D1 + T D2 51

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu III. Ghép nối đường truyền Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Ảnh hưởng của đường truyền dẫn không liên tục Ví dụ 3.12: Khảo sát điện áp trên tải biết các thông số đường truyền dẫn không liên tục Tại tải, không có sóng phản xạ do điều kiện hòa hợp tải thỏa mãn Điện áp tại điểm nối: VS VS ZC2 Vmid (1 n12) T12 V 2 2 Z Z Điện áp trên tải: VS ZC2 VL T12 V 2 Z Z C1 C2 S C1 C2 S 52

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu III. Ghép nối đường truyền Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Ảnh hưởng của đường truyền dẫn không liên tục Trong vi mạch số, tính không liên tục của đường truyền có thể do tín hiệu truyền đến vị trí mắc nối tiếp hoặc song song của các vi mạch Xét đường truyền nối nối tiếp: Coi 2 đường truyền có cùng Z C Thời gian trễ khác nhau: T D1, T D2 Vi mạch số là các vi mạch CMOS đầu vào hở mạch 53

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu III. Ghép nối đường truyền Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Ảnh hưởng của đường truyền dẫn không liên tục Xét đường truyền nối tiếp: Để khử sóng phản xạ trên đường truyền: Phối hợp trở kháng tại nguồn: R S + R = Z C Mắc trở kháng song song với tải gây tổn hao công suất khi mạch ở trạng thái cao trở nối R = Z C tại vị trí nối 2 dây n T ( Z / 2) C ZC n 1 ( Z / 2) Z 3 12 21 C C 2( Z / 2) C T 2 ( Z / 2) Z 3 12 21 C C 54

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu III. Ghép nối đường truyền Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.2. Ảnh hưởng của đường truyền dẫn không liên tục Xét đường truyền song song: Tổng trở vào nhìn từ nguồn: Z C /2 Điện áp tại đầu đường dây: n V init R ( Z / 2) S C Z C /2 Sóng phản xạ toàn phần từ cuối dây đi đến đầu dây sau T D1, T D2 Tổng trở vào nhìn từ đường 1: R S // Z C n 12 21 ZC 2R Z S C T V S T 12 21 2RS 2R Z S C 55

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu III. Ghép nối đường truyền Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.3. Ảnh hưởng của đường truyền dẫn tiêu tán Mô hình đường truyền tiêu tán: Phương trình mô tả đường truyền.. d V() z ZI() z Z R jl dz. Y G jc. d I() z ZV() z dz Phương trình mô tả sự phân bố dòng áp:. V() z V e e V e e. V I() z e e e e ZC ZC.. z j z z j z.. z j z V z j z Z Z C ZY j Y ; 56

Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn Vấn đề bảo toàn tín hiệu III. Ghép nối đường truyền Vấn đề bảo toàn tín hiệu III.3. Ảnh hưởng của đường truyền dẫn tiêu tán Suy hao biên độ tín hiệu và méo pha: Hệ số tắt: α (ɷ) Hệ số pha: β(ɷ) Hiện tượng tán sắc: v(ɷ) Làm méo tín hiệu truyền trên đường truyền 57

Nhiễu và tương thích trường điện từ Chương 4: Phần tử không lý tưởng I. Đường truyền dẫn không lý tưởng II. Các phần tử thụ động (passive element) III. Vật liệu sắt từ IV. Các vi mạch số 1

Chương 4: Phần tử không lý tưởng I. Đường truyền dẫn không lý tưởng Đường truyền dẫn là một trong những thành phần quan trọng nhất trong hệ thống truyền dẫn thông tin. Mô hình tính toán đường truyền dẫn Mô hình phân bố rải (đường dây dài) Mô hình mạch tập trung L 10 Thành phần, thông số đường truyền dẫn sẽ thay đổi khi truyền dẫn ở những tần số cao (> 150kHz) Giá trị điện cảm L của dây trong hệ thống số Điện trở của dây: Quyết định do kích thước thiết kế (độ rộng, cách đi dây ) của dây truyền dẫn giảm tối đa sự suy hao trên tín hiệu đường truyền dẫn. 2

Chương 4: Phần tử không lý tưởng I. Đường truyền dẫn không lý tưởng I.1 Điện trở và điện cảm trong của dây dẫn Ở tần số thấp: R DC L r 2 w Ở tần số cao: Xảy ra hiệu ứng bề mặt (điện tích dịch chuyển trên bề mặt của dây dẫn) R 1 f 0 2 rw rw r w 1 1 2 2 r rw 1 0 R R dc= f / m 2 2r w w r dc 1 r 2 f 60Hz 1kHz w 100kHz 1MHz 100MHz 1GHz δ 8,5mm 2,09mm 0,21mm 2,6 mils 0,26 mils 0,0823 mils 3

Chương 4: Phần tử không lý tưởng I. Đường truyền dẫn không lý tưởng I.1 Điện trở và điện cảm trong của dây truyền dẫn Giá trị điện cảm trong (internal inductance) của dây truyền dẫn phụ thuộc vào tần số của tín hiệu Ở tần số thấp: Ở tần số cao: 0 7 L i, DC =0,5.10 H / m 8 2 1 0 1 L, L, = for r r 4 r f i HF i DC w w w 4

Chương 4: Phần tử không lý tưởng I. Đường truyền dẫn không lý tưởng I.2 Điện cảm ngoài và điện dung của dây truyền dẫn Với các đường truyền song song: Từ trường giữa 2 dây sẽ ảnh hưởng lẫn nhau (hỗ cảm) Coi khoảng cách 2 dây đủ lớn so với kích thước của dây (s/r w > 5) L e s 0,4 ln ( in H / m) r m 0 s w ln L. I rw s 10,16 ln ( in nh / in.) rw Tổng giá trị điện cảm của dây: L 2 L L L [ H, nh] loop i e 5

Chương 4: Phần tử không lý tưởng I. Đường truyền dẫn không lý tưởng I.2 Điện cảm ngoài và điện dung của dây truyền dẫn Giá trị điện dung giữa 2 dây phụ thuộc vào quan hệ giữa khoảng cách 2 dây s, và kích thước của dây truyền dẫn r w Coi khoảng cách 2 dây đủ lớn so với kích thước của dây (s/r w > 5) 27,78 s ln C Q r 0 w LV. s 0,706 ln r w s ln rw ( in pf / m) ( in pf / in.) 6

Chương 4: Phần tử không lý tưởng I. Đường truyền dẫn không lý tưởng I.2 Điện cảm ngoài và điện dung của dây truyền dẫn Ex 4.1: Xác định giá trị điện trở, điện cảm và điện dung của dây truyền tin làm việc ở tần số 200MHz, có độ dài 2 inches, tạo bởi 20 sợi đồng. Biết: độ dẫn điện của đồng σ Cu = 5,8.10 7 S/m, khoảng cách giữa 2 dây là 0,25 in. Hiệu ứng bề mặt: 6 1 1 4,67.10 m 8 7 7 f.2.10.4.10 5,8.10 0,184 mils 0 Dây cấu tạo bởi 20 sợi đồng sẽ có kích thước tương đương với dây 1 sợi có kích thước r w = 16 mils >> δ (xem Bảng 5.2, trang 302) 7 1 m 0 1 4.10 8 1,44 / R f 2.10 5 7 2r 2.16.2,54.10.5,8.10 36,7 m / in. w R R. L 73,4m hf L i, HF 1 nh m 0 1 R 1,15 / HF 4 r f 2 f 29,2 ph / in. w 7

Chương 4: Phần tử không lý tưởng I. Đường truyền dẫn không lý tưởng I.2 Điện cảm ngoài và điện dung của dây truyền dẫn Ex 4.1: Xác định giá trị điện trở, điện cảm và điện dung của dây truyền tin làm việc ở tần số 200MHz, có độ dài 2 inches, tạo bởi 20 sợi đồng. Biết: độ dẫn điện của đồng σ Cu = 5,8.10 7 S/m, khoảng cách giữa 2 dây là 0,25 in. Giá trị điện cảm ngoài của dây truyền dẫn: 3 s 0,25.10 L e 10,16 ln 10,16 ln = 27,93( nh / in.) rw 16 Tổng giá trị điện cảm của dây truyền dẫn: L2 in. 2Li Le L 55,98 nh. Giá điện dung của dây truyền dẫn: 0,706 0,706 C 0,257( pf / in.) C2 in. 0,257.2 0,514 pf 3 s 0,25.10 ln ln rw 16 8

Chương 4: Phần tử không lý tưởng I. Đường truyền dẫn không lý tưởng I.2 Điện cảm ngoài và điện dung của dây truyền dẫn Ex 4.2: Xác định giá trị điện trở, điện cảm và điện dung của dây truyền tin làm việc ở tần số 10MHz, có độ dài 5 in., tạo bởi 28 sợi đồng. Biết: độ dẫn điện của đồng σ Cu = 5,8.10 7 S/m, khoảng cách giữa 2 dây là 50 in. 9

Chương 4: Phần tử không lý tưởng I. Đường truyền dẫn không lý tưởng I.3 Mô hình thông số tập trung của dây truyền dẫn song song Xét 1 dây truyền dẫn song song: chiều dài L, và cách nhau một đoạn s Các thông số của đường truyền dẫn song song khi xét ở tần số cao: Điện trở đường dây truyền dẫn: rw 1 0 R R dc= f / m 2 2r Điện cảm trong, ngoài: w L 2 L L L [ H, nh] loop i e Điện dung của dây truyền dẫn: C Q 0 LV. ln s r w 10

Chương 4: Phần tử không lý tưởng I. Đường truyền dẫn không lý tưởng I.3 Mô hình thông số tập trung của dây truyền dẫn song song Mô hình phân tích cho đường truyền dẫn song song (L, s) Nếu L > λ: Mô tả đường dây truyền dẫn song song theo mô hình mạch thông số rải Nếu L << λ: Mô tả đường dây truyền dẫn song song theo mô hình mạch thông số tập trung Sơ đồ hình Γ-ngược Sơ đồ hình Π Sơ đồ hình T Sơ đồ hình Γ 11

Chương 4: Phần tử không lý tưởng I. Đường truyền dẫn không lý tưởng I.3 Mô hình thông số tập trung của dây truyền dẫn song song Chú ý: Trong các mô hình thông số tập trung, giá trị điện cảm trong L i thường nhỏ hơn nhiều so với giá trị điện cảm ngoài L e có thể bỏ qua L i trong các mô hình. m s L 0 e ln X Le Le 2fleL L. I rw 1 0 1 L i, HF X Li 2 f li L 4 r f w Giá trị điện kháng ngoài tăng tỉ lệ với tần số tín hiệu f Giá trị điện kháng trong tăng tỉ lệ với f Ví dụ 4.3: Mô hình truyền dẫn song song sử dụng dây cáp đồng, lõi 20 sợi, đặt cách nhau 50mils có giá trị điện cảm trong L i,dc = 0,05μH/m, và giá trị điện cảm ngoài L e = 0,456μH/m. Khi xét ở tần số cao (tại đó r w > 2δ), L e không đổi, trong khi đó L i giảm tỉ lệ với. f 12

Chương 4: Phần tử không lý tưởng I. Đường truyền dẫn không lý tưởng I.3 Mô hình thông số tập trung của dây truyền dẫn song song Chú ý: Việc lựa chọn mô hình thông số tập trung phù hợp sẽ cho phép tăng độ chính xác khi tính toán và mô hình hóa đường truyền. Z C L e s 120ln c rw Nếu Z L << Z C sử dụng sơ đồ hình T, Γ Nếu Z L >> Z C sử dụng sơ đồ hình Π, Γ-ngược 13

Chương 4: Phần tử không lý tưởng I. Đường truyền dẫn không lý tưởng I.4. Đường truyền mạch in Đặc điểm đường truyền: Tiết diện ngang: hình chữ nhật Khắc mạch trên nhựa epoxy (ε r = 4,7), độ dày 47 62mils Độ dày lớp đồng: 1,38mils (2,76mils) DC Ở tần số thấp: 1 Rlf RDC ( in / m ) wt Ở tần số cao: Xảy ra hiệu ứng bề mặt Điện trở 1 1 Rhf ( in / m) (2 w+2 t) 2 ( w+t) 1 wt t 2 ( w t) 2 Điện cảm, điện dung: Được tính theo các công thức trong chương 3 for w t Le v0 ZC 1 Z C ( ) ; v ; L e ; C C ' v vz r C 14

Chương 4: Phần tử không lý tưởng I. Đường truyền dẫn không lý tưởng I.4. Đường truyền mạch in Z C Ex 4.4: Xác định giá trị điện trở, điện cảm và điện dung của đường truyền mạch in làm việc ở tần số 100MHz, biết kích thước vật lý mạch in: Độ dài mạch in 5 in., s = 15mils, w = 15mils, h = 62 mils, t = 1,38 mils, ε r = 4,7, σ Cu = 5,8.10 7 S/m. Điện trở của đường truyền mạch in: R hf Rhf 1 1 2 ( w+t) 1,38 2.5,8.10..2,54.10. 15 1,38.2,54.10 150m 2 Điện cảm, điện dung: 120 1 k 1 ln 2 k 1 ' 1 k 2 r 377 1 0 k k ' 1 ' 2 r ln 2 1 k ' 7 5 5 s 1 1 k = < =0,7 s 2w 3 2 k' 1 k 2 0,943.5.2,54.10 15 2

Chương 4: Phần tử không lý tưởng I. Đường truyền dẫn không lý tưởng I.4. Đường truyền mạch in Ex 4.4: Xác định giá trị điện trở, điện cảm và điện dung của đường truyền mạch in làm việc ở tần số 100MHz, biết kích thước vật lý mạch in: Độ dài mạch in 5 in., s = 15mils, w = 15mils, h = 62 mils, t = 1,38 mils, ε r = 4,7, σ Cu = 5,8.10 7 S/m. Điện cảm, điện dung: ' r 1 h kw r tanh 0,775ln 1,75 0,04 0,7 k 0,01 1 0,1 r 0,25 k 2 w h ' r 2.358 377 ZC 157,036 k ' 1 ' r ln 2 1 k ' ' Z C 2 Z L C. r 2 157,036. 2.358 2.5.2,54.10.5.2,54.10.5.2,54.10 102nH 8 v v0 3.10 L 2 C.5.2,54.10 4,893pF 2 Z C 16

Chương 4: Phần tử không lý tưởng II. Các phần tử thụ động (passive element) II.1. Chân cắm linh kiện Các linh kiện mạch (R, L, C, ) được nối với mạch điện bằng các đầu nối (leads). Dạng đầu nối: Linh kiện thông thường: Các đoạn vật dẫn (discrete lead attachement) Linh kiện dán (surface mount technology - SMT): Điểm nối dạng hình chữ nhật Ở tần số cao, tại các đầu nối của linh kiện, đều tồn tại các hiệu ứng gây ảnh hưởng đến tính tuyến tính của linh kiện 17

Chương 4: Phần tử không lý tưởng II. Các phần tử thụ động (passive element) II.1. Chân cắm linh kiện Mô hình thông số tập trung đối với hiệu ứng cảm kháng và dung kháng trên đầu nối linh kiện Ví dụ 4.5: Xét linh kiện mạch có kích thước chân cắm dạng trụ tròn r w = 16mils, chiều dài 0,5 in., khoảng cách 0,25 in. Giá trị điện kháng ký sinh của đầu chân cắm: L e s 10,16 ln.0,5 14nH rw Giá trị điện dung của đầu chân cắm: Mô hình thông số tập trung cho hiệu ứng cảm kháng C 0,706 0,5 0,128 pf s ln rw Mô hình thông số tập trung cho hiệu ứng dung kháng 18

Chương 4: Phần tử không lý tưởng II. Các phần tử thụ động (passive element) II.1. Chân cắm linh kiện Mô hình thông số nào (phân bố rải, tập trung) cho phép mô tả cả 2 hiệu ứng dung kháng + cảm kháng của các chân cắm linh kiện? Ở tần số cao: Hiệu ứng dung kháng + cảm kháng của các chân cắm linh kiện được mô tả bằng mô hình mạch thông số rải. 02 hiệu ứng xảy ra trên toàn bộ chiều dài của chân cắm linh kiện Mô hình Π Mô hình T Mô hình Γ ngược Mô hình Γ 19

Chương 4: Phần tử không lý tưởng II. Các phần tử thụ động (passive element) II.2. Điện trở Điện trở là phần tử phổ biến nhất trong các mạch điện Có 3 loại điện trở: Điện trở carbon: Phổ biến nhất, Có giá trị lớn (kω - MΩ) Dung sai lớn: 5 10% Điện trở dây quấn: Có giá trị nhỏ (Ω), sai số nhỏ Thường sử dụng làm việc ở tần số thấp R DC L Ở tần số cao: Có hiện tượng tự cảm điện cảm L r 2 w Điện trở màng mỏng: Chế tạo theo kỹ thuật mang kim loại Có độ chính xác cao (Ω) Kích thước nhỏ gọn. 20

Chương 4: Phần tử không lý tưởng II. Các phần tử thụ động (passive element) II.2. Điện trở Ở tần số thấp: Điện trở là thuần trở (lý tưởng): Ở tần số cao: Điện trở không lý tưởng Điện trở dây cuốn: Tồn tại hiện tượng tự cảm điện cảm ký sinh L Tồn tại điện dung ký sinh: 1 2pF Điện trở thực và mô hình tương đương của điện trở khi xét ở tần số cao Mô hình giản đơn của điện trở khi xét ở tần số cao 21

Chương 4: Phần tử không lý tưởng II. Các phần tử thụ động (passive element) II.2. Điện trở Ví dụ 4.6: Xét điện trở dây quấn, có chiều dài dây quấn 0,5 in., khoảng cách quấn dây 0,25 in., với kích thước dây r w = 16mils. Điện cảm ký sinh: L lead 3 s 0,25.10 10,16 ln.0,5 10,16 ln.0,5=13,97nh rw 16 0,706 0,706 Tụ điện ký sinh: Clead.0,5 0,5 0,129pF<<C ks=1pf 3 s 0,25.10 ln ln rw 16 Với điện trở 1kΩ hoạt động ở tần số 159MHz Tần số cộng hưởng: f 2 1 L lead C ks 1,3GHz 1 XC ks 1k C ks X L Llead 14k 22

Chương 4: Phần tử không lý tưởng II. Các phần tử thụ động (passive element) II.3. Tụ điện Hai loại tụ phổ biến: Tụ hóa: Giá trị lớn: μf ~ vài nghìn μf, phân cực Sử dụng các chất điện môi phân cực Trong EMC: Chống nhiễu trong dải tần số thấp Tụ gốm: Đặc tính tần: Giá trị nhỏ: Dưới 1μF vài pf, không phân cực Trong EMC: Chống nhiễu các tín hiệu tần số cao (trong dải tần số gây nhiễu bức xạ ~ 100MHz) Z C 1 1 j C C 90 0 23

Chương 4: Phần tử không lý tưởng II. Các phần tử thụ động (passive element) II.3. Tụ điện Mô hình mạch tương đương: Tụ hóa và tụ gốm đều có cùng một mô hình mạch tương đương, nhưng thông số khác nhau R diel : đặc trưng cho tổn hao về sự phân cực của chất điện môi (rất lớn, có thể bỏ qua) R plate : điện trở của 2 bản cực (rất nhỏ, có thể bỏ qua đối với tụ gốm). L lead, C lead : C lead có thể bỏ qua khi xét ở tần số thấp Mô hình mạc tương đương của tụ ở tần số cao Mô hình mạch giản đơn của tụ điện ở tần số cao 24

Chương 4: Phần tử không lý tưởng II. Các phần tử thụ động (passive element) II.3. Tụ điện Ví dụ 4.7: Xét tụ điện có giá trị 470pF (0,1μF) có kích thước: khoảng cách 2 chân s = 0,25 in., chiều dài chân l = 0,5 in. Giá trị điện kháng ký sinh của đầu chân cắm: L e s 10,16 ln.0,5 rw 14nH=L lead Mô hình mạch giản đơn của tụ điện ở tần số cao Tần số cộng hưởng f 0 Với tụ 470pF: f 0 1 1 2 L C 2 14.10.470.10 lead 12 9 62MHz Với tụ 0,1μF: f 0 1 1 2 L C 2. 14.10.0,1.10 lead 12 6 4,25MHz 25

Chương 4: Phần tử không lý tưởng II. Các phần tử thụ động (passive element) II.3. Tụ điện Tụ thường được sử dụng lọc nhiễu tần số cao bằng cách nối song song với tải. Tuy nhiên cần chú ý lựa chọn giá trị của tụ phù hợp. Ví dụ 4.8: Giả sử cần lọc nhiễu ở tần số 100MHz cho tải mắc 01 tụ gốm 100pF (l = 0,5 in., s = 0,25 in.) mắc song song với tải. Nếu muốn tăng hiệu quả lọc nhiễu, cần lựa chọn giá trị của tụ như thế nào? Tăng độ lớn tụ gốm (10.000pF, l = 0,5 in., s = 0,25 in.) thực tế cho thấy hiệu quả lọc nhiễu giảm hơn trước. Tại sao? Ở tần số 100MHz, mô hình tụ điện: L e s 10,16 ln.0,5 rw 14nH=L lead 26

Chương 4: Phần tử không lý tưởng II. Các phần tử thụ động (passive element) II.3. Tụ điện Ví dụ 4.8: Giả sử cần lọc nhiễu ở tần số 100MHz cho tải mắc 01 tụ gốm 100pF (l = 0,5 in., s = 0,25 in.) mắc song song với tải. Nếu muốn tăng hiệu quả lọc nhiễu, cần lựa chọn giá trị của tụ như thế nào? Tần số cộng hưởng f 0 2 1 L lead C 4,25MHz for C = 100pF 0, 42MHz for C 10000pF Tụ 10.000pF thể hiện tính cảm kháng nhiều hơn so với tụ 100pF Tại tần số 100MHz: Tụ 10.000pF có trở kháng lớn hơn so với trở kháng của tụ 100pF. 27

Chương 4: Phần tử không lý tưởng II. Các phần tử thụ động (passive element) II.3. Tụ điện Khi mắc tụ C song song với tải để lọc nhiễu cho tải ta có mô hình mạch.. Load C noise I Z C Z Z Load I Nếu Z Load >> Z C : Tụ C có khả năng lọc nhiễu cho tải Nếu Z Load < Z C : Tụ C không có khả năng lọc nhiễu cho tải Chú ý: Khi sử dụng bất kỳ tụ C mắc song song để lọc nhiễu cho tải, cần chú ý đến giá trị trở kháng của tải so với trở kháng của phần tử đó tại tần số của nhiễu. Nếu Z load << Z C không có tác dụng lọc nhiễu. 28

Chương 4: Phần tử không lý tưởng II. Các phần tử thụ động (passive element) II.4. Cuộn dây Tổng trở cuộn dây : Z L = jwl Mô hình mạch tương đương của cuộn dây: R par : Điện trở dây cuốn cuộn dây C par : Tụ điện ký sinh giữa 2 vòng dây L lead << L, C lead << C par : bỏ qua Mô hình mạch tương đương của cuộn dây ở tần số cao Mô hình giản đơn của cuộn dây ở tần số cao 29

Chương 4: Phần tử không lý tưởng II. Các phần tử thụ động (passive element) II.4. Cuộn dây Cuộn dây mắc nối tiếp với tải có tác dụng lọc nhiễu nếu tại tần số của nhiễu, trở kháng cuộn dây lớn hơn trở kháng tải Z load Lọc nhiễu cho tải: Nếu Z load lớn sử dụng tụ C mắc song song Nếu Z load nhỏ sử dụng cuộn dây L mắc nối tiếp 30

Chương 4: Phần tử không lý tưởng III. Vật liệu sắt từ III.1. Giới thiệu Trong EMC, vật liệu sắt từ được sử dụng để chống nhiễu do chúng có các tính chất quan trọng: Tính bão hòa Khả năng tập trung từ trường Tính chọn lọc với tần số Xét cuộn dây lõi sắt từ, ta có: 2 NA B L r 0 l l H A μ r : hệ số từ thẩm tương đối của lõi sắt từ μ 0 : hệ số từ thẩm của chân không (4π.10-7 ) A: diện tích mặt cắt của lõi l: chiều dài trung bình của lõi R: từ trở air core air core 31

Chương 4: Phần tử không lý tưởng III. Vật liệu sắt từ III.1. Giới thiệu Các vật liệu sắt từ có tính lựa chọn cao với tần số Ví dụ 4.9: Xét lõi ferrite MnZn và NiZn: Ở tần số thấp: μ r MnZn > μ r NiZn Ở tần số cao: μ r MnZn < μ r NiZn Trong các phòng thí nghiệm, đo và kiểm tra EMC, người ta thường sử dụng 2 loại vật liệu từ khác nhau để chống nhiễu: conducted emission và radiated emission. Đặc tính phụ thuộc theo tần số của hệ số từ thẩm của vật liệu sắt từ 32

Chương 4: Phần tử không lý tưởng III. Vật liệu sắt từ III.1. Giới thiệu Trong các bài toán EMC, lõi ferrit dạng hình xuyến, hình trụ (ferrit bead) thường được sử dụng để chặn tín hiệu (nhiễu) tần số cao (không ảnh hưởng đến tín hiệu ở tần số thấp) Nguyên lý hoạt động: L bead Lõi ferrit dạng xuyến bao quanh đường truyền tín hiệu Dòng điện chảy qua tạo từ thông tạo ra giá trị điện kháng trong lõi ferrit. K 0 ' '' ( f ) j ( f ) r r r r K: hệ số kích thước của lõi ferrit μ r : hệ số từ thẩm tương đối của ferrit μ' r : hệ số từ thẩm đo năng lượng từ trường của lõi. μ'' r : hệ số từ thẩm đo sự tổn hao của lõi 33

Chương 4: Phần tử không lý tưởng III. Vật liệu sắt từ III.1. Giới thiệu Nguyên lý hoạt động: Giá trị điện kháng của lõi ' '' Z jl j K j j K bead bead 0 r 0 r r '' ' Z ( f ) K j ( f ) K bead 0 r 0 r R( f ) L( f ) Mô hình mạch tương đương Để tăng tổng trở của cuộn kháng, người ta thường sử dụng lõi ferrit dạng nhiều lỗ (multiple-hole ferrit bead) 34

Chương 4: Phần tử không lý tưởng III. Vật liệu sắt từ III.1. Giới thiệu Common-mode chokes Xét 2 dây dẫn mang dòng điện I 1, I 2 Có thể phân tích thành 2 thành phần: Differential-model (normal-mode) current I D : Thành phần dòng điện chính (designed current) mang thông tin (năng lượng, tín hiệu). Common-mode current I C : Điện áp trên các dây được tính so đất (GND) dòng I C chảy cùng chiều, quay về đất của hệ thống. I D I D Differential mode I C I C Common mode 35

Chương 4: Phần tử không lý tưởng III. Vật liệu sắt từ III.1. Giới thiệu Common-mode chokes Xét 2 dây dẫn mang dòng điện I 1, I 2 Có thể phân tích thành 2 thành phần: Differential-model current I D Common-mode current I C... 1... I D I1I 2 I 1 I C I D 2...... 1 I I 2 C I D I C I1I 2 2 Sự phát xạ gây ra bởi dòng điện I C có xu hướng lớn hơn nhiều so với thành phần gây ra bởi dòng điện I D 36

Chương 4: Phần tử không lý tưởng III. Vật liệu sắt từ III.1. Giới thiệu Common-mode chokes (triệt tiêu dòng I C ) Quấn 2 dây (cùng chiều) qua lõi ferrit Coi 2 dây giống nhau L 1 = L 2 = L Z... V1 pl I pm I I1 I1 1.. 1 2 Bỏ qua tổn hao từ thông L = M Xét dòng I D : Z D = p(l - M) = 0 Xét riêng I C : Z C = p(l + M) = 2L Common-mode chokes không gây ảnh hưởng đến dòng I D nhưng có tác dụng tạo ra trở kháng 2L đối với dòng I C 37

Chương 4: Phần tử không lý tưởng III. Vật liệu sắt từ III.1. Giới thiệu Cách đơn giản nhất thực hiện common-mode chokes Trong trường hợp này sẽ xuất hiện tụ ký sinh làm giảm hiệu quả của phương pháp. Để tăng hiệu quả việc chặn I C : Chọn lõi ferrit có độ từ thẩm cao giảm từ thông tản ra môi trường L ~ M Hình dáng lõi ferrit có dạng đối xứng 38

Chương 4: Phần tử không lý tưởng III. Vật liệu sắt từ III.2. Các thiết bị cơ điện Dưới góc độ của bài toán EMC, các thiết bị cơ điện (động cơ 1 chiều, xoay chiều, động cơ bước ) là các thiết bị có khả năng gây ra nhiễu điện từ trường mạnh Ví dụ 4.10: Động cơ 1 chiều thường gây ra nhiễu điện từ ở tần số cao do sự đánh lửa tại vị trí chổi than Cấu tạo vật lý của động cơ DC Phương pháp khử nhiễu điện từ cho động cơ DC 39