Теория перекрестных помех на длинных линиях

Теоря перекрестных на длинных линиях

Коэффициенты  перекрестной помехи в длинной линии  – Часть 1

Опубликовано 31.05.2012

Четыре важных положения  определяют уровень перекрестных помех:

• значение мгновенного  индуцированного напряжения и тока помехи в пассивной линии зависит  от параметров сигнала в активной линии; чем больше скорость изменения  этих параметров, тем выше уровень  помех;

• уровень помех  определяется взаимными емкостными и индуктивными параметрами на единицу  длины линии; чем проводники ближе, тем больше взаимные параметры и  выше уровень помех;

• при увеличении скорости распространения сигнала  увеличивается уровень помех  в пассивной линии, поскольку  расширяется зона взаимодействия при  постоянной длительности фронта сигнала;

• уровень емкостной  и индуктивной составляющей помехи не зависит от длительности фронта, поскольку при изменении фронта протяженность области взаимодействия изменяется обратно пропорционально; очевидно, что для электрически длинной  линии область взаимодействия короче длины линии.

Протяженность d_Ctk области взаимодействия определяется скоростью сигнала в линии передачи и длительностью фронта сигнала следующим соотношением:

 

Где t_R — фронт сигнала, нс, v — скорость электромагнитной волны в активной линии передачи. м/нс; 0,3 — значение скорости электромагнитной волны в свободном пространстве, м/нс; ε_R — относительная диэлектрическая проницаемость материала основания печатной платы.

Если фронт сигнала 1 нс, а линия передачи выполнена на стеклотекстолите с относительной проницаемостью 4, то длина области взаимодействия составляет 0,165 м, т. е. 165 мм. Для длинной линии это значение должно быть меньше погонной длины линии. По мере повышения быстродействия протяженность области взаимодействия становится меньше длины большинства линий передач на печатной плате. Для этого случая амплитуда помехи V_ΝΕΧΤ на ближнем конце пассивной линии не будет зависеть от протяженности линий передач. Область взаимодействия, несущая объемный заряд в активной линии, иллюстрируется на рис. 4.83.

Рис. 4.83. Область объемного заряда в зоне фронта сигнала.

Коэффициенты  перекрестной помехи в длинной линии  – Часть 2

Опубликовано 31.05.2012

Емкостно-связанные  токи, определяющие процесс заряда распределенной емкости линии, втекают  в пассивную линию только в  зоне взаимодействия. Встречая на своем  пути в пассивной линии одно и  то же волновое сопротивление с обеих  сторон зоны взаимодействия, этот ток  будет равномерно распределяться в  пассивной линии. Половина индуцированного  тока будет протекать по направлению  к ближнему концу пассивной линии, а вторая половина — по направлению  к дальнему концу линии.

Эти токи будут  создавать на сопротивлениях, подключенных к концам пассивной линии, емкостную  составляющую напряжения помех: V_NEXT(C) — на ближнем конце. V_NEXT(C) — на дальнем конце.

После того, как  фронт сигнала прошел в активной линии расстояние, равное длине зоны взаимодействия, ток на ближнем конце  пассивной лини и достигнет постоянного  значения. После того как сигнал в активной линии через интервал времени t_Pd достиг дальнего конца, взаимодействие линий прекратилось, но наведенный ток от дальнего конца пассивной линии все еще продолжает протекать к началу этой линии. Он продолжит течь к ближнему концу пассивной линии в течение времени задержки распространения t_Pd. Таким образом, продолжительность протекания емкостной составляющей тока помехи на ближнем конце пассивной линии составляет 2t_Pd. Форма напряжения помехи на ближнем конце пассивной линии, вызванной емкостной составляющей связи между линиями, более детально показана на рис. 4.84.

Рис. 4.84. Типичная характеристика емкостно-сопряженного напряжения на ближнем конце пассивной  линии.

Половина емкостно-сопряженного тока в пассивной линии распространяется в прямом направлении к дальнему концу со скоростью, равной скорости распространения сигнала к дальнему концу активной линии. На каждом шаге вдоль этого пути половина наведенного  тока добавляется к уже существующему  току, который распространяется в  прямом направлении.

На дальнем конце  пассивной линии напряжение помех  отсутствует до момента достижения фронтом сигнала конца активной линии. Совпадающий с сигналом прямой емкостно-сопряженный ток достигает  дальнего конца.

Коэффициенты  перекрестной помехи в длинной линии  – Часть 3

Опубликовано 01.06.2012

Если фронт сигнала  линейный, емкостно-сопряженный ток  перекрестной помехи будет представлять собой короткий прямоугольный импульс, длительностью, равной фронту (t_R). Напряжение помехи, развиваемое на сопротивлении нагрузки на дальнем конце пассивной линии, показано на рис. 4.85.

Генерируя положительное  напряжение в активной линии, ток  помехи в пассивной линии будет  протекать по сопротивлению нагрузки от линии к возвратному проводнику. Это направление принимается  за положительное.

Индуктивно-сопряженные  токи ведут себя подобно емкостно-сопряженным. Изменение тока dI/dt в активной линии через взаимную индуктивность индуцирует напряжение в пассивной линии.

Изменяющийся ток  в активной линии распространяется вдоль линии, имея положительное  направление от сигнального проводника к возвратному, образуя контур тока. Согласно законам индукции, направление  наведенного тока в контуре пассивной  линии будет противоположно направлению  тока, который вызвал его. Поэтому  направление индуктивно-сопряженного тока в пассивной линии будет  противоположно направлению тока в  активной линии, т. е. от конца линии  к ее началу (рис. 4.86). Генерироваться ток будет в зоне взаимодействия, определяемой фронтом сигнала и  скоростью распространения сигнала  в активной линии.

Рис. 4.85. Типичная характеристика емкостно-сопряженного напряжения на дальнем конце пассивной  линии.

Учитывая направления  емкостно-сопряженных токов и  индуктивно-сопряженных токов в  пассивной линии, видим, что на ближнем  конце пассивной линии эти  токи складываются, а на дальнем  конце линии — вычитаются, что  отражено в (4.92) и (4.93) знаками алгебраических сумм в круглых скобках.

Рис. 4.86. Направление токов при  индуктивном механизме взаимодействия линий.

Обратно направленный индуктивно-сопряженный помеховый  ток имеет такой же вид, как  и емкостно-сопряженный ток. Он начинается из 0 и будет возрастать с ростом сигнала от генератора, достигая некоторого постоянного значения.

После того, как  фронт сигнала достигнет сопротивления  нагрузки в дальнем конце активной линии, в пассивной линии все  еще будет существовать обратно  направленный индуктивно-сопряженный  ток помехи. Необходим интервал времени, равный времени распространения  сигнала в линии, для того, чтобы  наведенный ток достиг ближнего конца  пассивной линии. Форма индуктивно-сопряженного тока на дальнем конце пассивной  линии будет производной фронта сигнала по времени в активной линии.

Коэффициенты  перекрестной помехи в длинной линии  – Часть 4

Опубликовано 01.06.2012

Помеха на ближнем  конце пассивной линии определяется токами, протекающими через согласующий  резистор на ближнем конце линии  передачи. Вид этой помехи по форме  совпадает с формой помехи, показанной на рис. 4.84. Можно отметить следующие  четыре важных фактора, типичных для  этого вида помех:

1.Если длина  участка связанных линий больше, чем участок взаимодействия (длинная  линия), то помеховое напряжение  будет достигать некоторого постоянного  уровня. Амплитуда максимального  напряжения определяется как  перекрестные помехи на ближнем  конце линии (NEXT). Обычно это  записывается как отношение напряжения  помехи на ближнем конце пассивной  линии к сигналу в активной  линии, и оно определяется коэффициентом  перекрестных помех на ближнем  конце k_N = V_B/V_A.

2.Если участок  связанных линий короче участка  взаимодействия (линия короткая), тогда  напряжение помех на ближнем  конце будет иметь вид импульса  с максимальной амплитудой, которая  меньше уровня постоянного напряжения NEXT. Эта амплитуда определяется  длиной участка связи и участка  взаимодействия. Например, если длина  участка насыщения для фронта 1 нс составляет 125 мм для FR4 и длина участка связи составляет 100 мм, тогда уровень помех V_B/V_A = NEXT × 100/ 125 = NEXT × 0,8. На рис. 4.87 показано напряжение перекрестных помех на ближнем конце пассивной линии, когда длина участка связи изменяется от 20% длины зоны взаимодействия до удвоенной длины этой зоны [4]. Фронт сигнала 0,8 нс, скорость распространения сигнала 0,16 м/с, что определяет длину зоны взаимодействия как: 0,8 нс × 0,16 м/с = 0,13 м. Следует помнить, что при длительности фронта меньше удвоенного времени пробега электромагнитной волны до конца линии, линия считается электрически короткой.

3.Общая длительность  помехи на ближнем конце линии  не более 2t_Pd. Если время задержки распространения сигнала на участке связи составляет 1 нс, то длительность помехи на ближнем конце линии будет не менее 2 нс.

4.Фронт импульса  помехи равен фронту сигнала.

Рис. 4.87. Напряжение перекрестных помех  на ближнем конце пассивной линии, когда длина участка связи  изменяется от 20 % зоны взаимодействия до удвоенной длины этой зоны: l —  длина 25 мм; 2 — длина 75 мм; 3 — длина 125 мм (длина зоны взаимодействия); 4—  длина 155 мм; 5 — длина 250 мм.

Коэффициент k_N перекрестной помехи на ближнем конце пассивной линии будет зависеть от взаимной индуктивности и взаимной емкости:

Где C_M1 — взаимная емкость на единицу длины между линиями; C₁ — емкость сигнального проводника на единицу длины; M₁ — взаимная индуктивность на единицу длины; L₁ — индуктивность сигнального проводника на единицу длины.

При сближении двух линий взаимные индуктивные и  емкостные параметры возрастают, и уровень помех увеличивается.

Коэффициенты  перекрестной помехи в длинной линии  – Часть 6

Опубликовано 02.06.2012

Второе правило: помеха на дальнем конце линии  зависит от тока, который протекает  через сопротивление нагрузки. Форма  сигнала на дальнем конце линии  показана на рис. 4.85. При рассмотрении помех на дальнем конце линии  можно отметить четыре важных аспекта:

1. Помеха не возникнет,  пока сигнал не достиг конца  линии, т. е. с задержкой t_Pd. Помеха распространяется к концу пассивной линии со скоростью распространения сигнала в активной линии.

2. Форма напряжения  помехи на дальнем конце пассивной  линии есть производная фронта  сигнала. Ширина импульса помех  равна длительности фронта информационного  сигнала. На рис. 4.89 показана форма  помехи на дальнем конце пассивной  линии при различных длительностях  фронта сигнала. Волновое сопротивление  линии передачи составляет 50 Ом, длина участка связи 250 мм. Видно, что при увеличении длительности фронта, амплитуда помехи снижается, а ее длительность увеличивается.

Рис. 4.89. Помеха на дальнем конце  пассивной линии при различных  длительностях фронта сигнала: 1 —  фронт 0,5 нс, 2 — фронт 1 нс; 3 — фронт 2 нс.

3. Пиковое значение  помехи зависит от длины участка  связи. При увеличении длины  участка пиковое значение увеличивается.

4. Коэффициент FEXT непосредственно показывает пиковое  напряжение помехи на дальнем  конце пассивной линии V_FEXT, обычно по отношению к напряжению сигнала в активной линии, V_A, FEXT=V_FEXT/V_A. Это напряжение зависит от двух факторов (длины участка связи и фронта сигнала), дополняющих факторы, которые определяются сечением линий передачи.

Коэффициент k_F связи на дальнем конце линий (FEXT) определяется следующим образом:

Где V_FEXT — напряжение на дальнем конце пассивной линии, V_A — напряжение на сигнальной линии; d_Ctk — длина области взаимодействия между двумя линиями; v — скорость распространения сигнала в линии; C_M1 — взаимная емкость на единицу длины; C₁ — собственная частичная емкость на единицу длины; M_L, — взаимная емкость на единицу длины.

Как видно из формулы, коэффициент связи на дальнем  конце линии зависит только от внутренних параметров линии, относительной  емкостной и индуктивной связи  и скорости распространения сигнала. Он не зависит от длины участка  связи и от фронта сигнала. Обратная величина этого коэффициента 1/k_F задается в размерности скорости м/с. Что это за скорость?

Рис. 4.90. Обобщенное представление  помехи на дальнем конце линии  при линейном фронте сигнала.

В действительности это разность в скоростях распространения  четной и нечетной моды сигнала. Другими  словами, рассматривая помехи на дальнем  конце линии, видно, что они в  действительности возникают, когда  четная мода имеет скорость, отличную от скорости нечетной моды. Это происходит в микрополосковой линии, когда сигнальный проводник лежит на границе диэлектрических сред. В однородной диэлектрической среде, характерной для полосковой линии передачи, диэлектрическая проницаемость постоянна и не зависит от формы электрического поля, вызванного приложенным напряжением. В этом случае четная и нечетная моды имеют одинаковую скорость, и помеха на дальнем конце пассивной линии отсутствует. Это явление будет детально рассмотрено в шестой главе при изучении дифференциальных пар.

Практическое правило: если проводники линии передачи расположены  в однородной диэлектрической среде, как, например, в полосковой или заглубленной линии передачи, mo относительные взаимные индуктивные и емкостные параметры будут одинаковы. В этом случае помеха на дальнем конце пассивной линии отсутствует.

В противном случае при неоднородной диэлектрической  среде эффективная диэлектрическая  проницаемость зависит от распределения  электрического поля между прямыми  и возвратными проводниками. Это  будет определять различие относительных  емкостных и индуктивных взаимных параметров, в результате чего появляется помеха на дальнем конце линии.

Часто используется параметр v×k_F, который безразмерен:

Используя понятие FEXT, можно записать:

Коэффициент v×k_F является внутренним параметром, который зависит только от сечения связанных линий. Он описывает помеху на дальнем конце линии. Когда время задержки в зоне взаимодействия равно фронту, т. е. t_Pd = t_R, и v×k_F = 5%, то помеха на дальнем конце пассивной линии будет составлять 5%. Если длина зоны взаимодействия удвоится, то напряжение помехи вырастет до 10%.