Đang tải... (xem toàn văn)
ĐẢM BẢO TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ TRONG KỸ THUẬT THIẾT KẾ MẠCH VÀ TRONG MÔI TRƯỜNG TRUYỀN TÍN HIỆU Ngày nay, nhờ sự phát triển chóng mặt của kỹ thuật và công nghệ, cuộc sống của con người ngày càng thoải mái và tiện nghi hơn với nồi cơm điện, ti vi, máy giặt, máy tính, laptop, điện thoại di động,..
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO !!" #$ %&'()*'+, ,/0123234'(5',67'/0869':,;0,6<' (="4'>0&? ,/0@A69'+,B.@CD@E @CDF Đà nẵng, tháng 11 năm 2013 GHIJ3333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333K D3LMN"33333333333333333333333333333333333333333333F 1.1. Khái niệm tương thích điện từ (EMC: Electromagnetic Compatibility) 4 1.2. Vấn đề tương thích điện từ ở nước ta 5 1.3. Biện pháp cải thiện tương thích điện từ 6 @3!!"ON 3333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333P 2.1 Linh kiện số và tương thích điện từ trong thiết kế mạch số 8 2.1.1 Lựa chọn linh kiện: 8 2.1.2 Vấn đề thu nhỏ mặt nạ IC 11 2.1.5 Spread-spectrum clocking 15 2.2 Linh kiện tương tự và tương thích điện từ trong thiết kế mạch tương tự 16 2.2.1 Lựa chọn thành phần tương tự 16 2.3. Thiết kế mode chuyển mạch 22 K3#$ 333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333@Q 3.1 Truyền tín hiệu trong môi trường phi kim loại 26 3.2 Kỹ thuật truyền tín hiệu trong môi trường kim loại 26 3.3. Cách ly quang học (Opto-isolation) 33 3.4. Bảo vệ mạch I/O bên ngoài 34 !3333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333KA R6S6<J:,.T+,U-3333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333KQ 2 GHIJ Ngày nay, nhờ sự phát triển chóng mặt của kỹ thuật và công nghệ, cuộc sống của con người ngày càng thoải mái và tiện nghi hơn với nồi cơm điện, ti vi, máy giặt, máy tính, laptop, điện thoại di động, Với sự bùng nổ công nghệ vi điện tử, đặc biệt là công nghệ thiết kế và chế tạo các vi mạch tích hợp, các sản phẩm trên ngày càng nhỏ gọn, tiêu thụ ít điện năng hơn trong khi thiết bị ngày càng thông minh hơn và tốc độ xử lý nhanh hơn. Song song với sự phát triển đó là rất nhiều thách thức đặt ra khi giảm kích thước của các linh kiện và một trong số đó chính là vấn đề tương thích điện từ. Tiểu luận này sẽ nghiên cứu vấn đề “Đảm bảo tương thích điện từ trong kỹ thuật thiết kế mạch và trong môi trường truyền tín hiệu”. Mặc dù đã rất cố gắng, nhưng do trình độ còn hạn chế nên không tránh khỏi nhiều sai sót, rất mong nhận được nhiều ý kiến góp ý của Thầy và các bạn cùng lớp để tiểu luận hoàn thiện hơn. Tác giả xin chân thành cảm ơn. 3 D3LMN" D3D3,V6'6<T:%W'(:,X0,H6<':YZ[[S\0:]-T.('\:60-T?.:6^6S6:_` Tương thích điện từ là thuật ngữ chỉ rõ đặc tính mà những thiết bị điện, điện tử, tin học có được khi chúng vận hành tốt trong môi trường có sự hiện diện của các thiết bị khác hoặc có tín hiệu nhiễu từ môi trường xung quanh chúng tác động vào. Để thực hiện được điều này, ta phải dùng những kỹ thuật để tránh những hiệu ứng không mong muốn mà nhiễu có thể gây ra. Nghiên cứu về tương thích điện từ là tìm các biện pháp kỹ thuật dùng để xử lý các đặc tính trên. Tương thích điện từ được hiểu là: - Không được gây ra nhiễu vượt quá mức độ cho phép đối với sự hoạt động bình thường của thiết bị vô tuyến điện tử khác. - Bản thân thiết bị đó phải làm việc bình thường khi các nguồn tín hiệu khác đã làm việc. * Có thể định nghĩa 3 kiểu cơ sở trong việc tác động qua lại giữa các hệ thống - Hiệu ứng do thiết bị này sinh ra tác động lên thiết bị khác, hiện tượng giao thoa bên trong cùng một hệ thống. - Hiệu ứng do môi trường xung quanh sinh ra tác động lên thiết bị - Hiệu ứng do thiết bị sinh ra tác động lên môi trường * Lĩnh vực tương thích điện từ bao gồm những vấn đề sau: - Phân tích cơ học cho ra những hiệu ứng nhiễu - Nghiên cứu sự truyền của nhiễu do bức xạ hoặc truyền dọc theo các đường dây kim loại nối với các thiết bị - Định nghĩa các kiểu ghép khác nhau giữa các hệ thống điện, điện tử, tin học - Xác định các điều kiện đối với các kiểu ghép 4 - Đánh giá những hậu quả thực tế của nhiễu khi thiết bị vận hành - Dự đoán những tình huống xảy ra nhiễu, trong đó một số thiết bị sẽ không vận hành đúng theo chuẩn - Sự lọc nhiễu tần số hoặc thời gian - Những phương tiện cho phép các thiết bị hoạt động không bị ảnh hưởng của nhiễu - Tổng hợp những thiết bị dễ bị ảnh hưởng của nhiễu - Thiết lập các tiêu chuẩn để đưa ra các giá trị giới hạn có thể chấp nhận được đối với máy phát và máy thu. Như vậy mục đích của tương thích điện từ là mang lại sự tương thích về hoạt động của một hệ thống nhạy cảm với môi trường trường điện từ của nó cũng như các hiện tượng nhiễu loạn có thể sinh ra từ hệ thống, một phần của hệ thống hoặc bởi từ các nguồn bên ngoài. Từ đó đưa ra cách xử lý vấn đề: - Đặc tính hóa nguồn nhiễu và xác định các trường nhiễu có thể gây ra bức xạ. - Nghiên cứu các kiểu ghép giữa nguồn gây nhiễu và hệ thống bị nhiễu - Mô phỏng và thử nghiệm các hiện tượng trên và tìm các giải pháp kỹ thuật bảo vệ. D3@3"5'Ha:%W'(:,X0,H6<':YG'%&0:. Trong Pháp lệnh Bưu chính Viễn thông của nước Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam ban hành ngày 07/06/2002, điều 69, mục 3 đã nói rõ về quản lý tương thích điện từ. Nhà nước Việt Nam rất coi trọng việc sử dụng và quản lý tài nguyên tần phổ sóng điện từ trên con đường công nghiệp hoá và hiện đại hoá. Ở các nước phát triển, việc quản lý tương thích điện từ được quy định rõ ràng. Các nhà sản xuất thiết bị điện và điện từ phải đảm bảo các sản phẩm của họ thoả mãn những yêu cầu về tiêu chuẩn tương thích điện từ cho các sản phẩm 5 được xuất đi. Đây là biểu thị trách nhiệm của nhà sản xuất đối với thị trường. Tại thị trường chung châu Âu EEC và EFTA, nếu một loại sản phẩm nào bị chê trách về tiêu chí chất lượng tương thích điện từ thì sản phẩm đó bị loại khỏi thị trường. Để có sự chấp thuận phù hợp với tiêu chí tương thích điện từ, sản phẩm được cơ quan có thẩm quyền kiểm nghiệm và cấp chứng chỉ về đo thử kiểm nghiệm có 2 nội dung: - Đo thử sự phát xạ (emission): Thử sự phát xạ như sơ đồ hình 1.1a. Sóng điện từ do bản thân thiết bị cần đo thử qua dây cáp nối tín hiệu hoặc dây cấp nguồn bức xạ ra không gian. Các nhiễu này thường là nhiễu liên tục - Đo thử sự chống nhiễu (Immunity): Sơ đồ đo như hình 1.1b. Trong đó thiết bị cần đo, chịu tác động có sóng chấn tử do một nguồn tạo sóng phát ra. Hình 1.1 Đo phát xạ và vượt nhiễu Trước kia, các quy định tương thích điện từ chỉ quan tâm đến sự phát xạ điện từ, vì nó là nguồn gốc gây ra các vấn đề nhiễu. Tuy nhiên gần đây các ủy ban quản lý về EMC chú ý tới hầu hết các vấn đề của tính chống nhiễu do các hiện tượng quá độ dòng điện và điện áp, hiện tượng phóng điện tự nhiên (xung sét). Tuy nhiên, không có mức chính xác của “tính chống nhiễu” để cho biết là bị hỏng hoặc vẫn bình thường. D3K36<'?,V?0U6:,6<':%W'(:,X0,H6<':Y Vấn đề tương thích điện từ đã được đặt ra từ đầu thế kỷ 20. Ngoài việc tiếp tục chinh phục dải tần ngày càng cao như đã làm trong thời gian vừa qua, 6 hiện nay tương thích điện từ vẫn đặt ra cho chúng ta các bài toán cần tiếp tục giải quyết. Đó là: - Hoàn thiện phương pháp sử dụng một cách tiết kiệm các băng tần. Người ta thường áp dụng: o Nâng cao độ ổn định tần số của nguồn phát xạ. o Giảm thiểu cường độ bức xạ ngoài băng và bức xạ phụ - Đặc tính hóa nguồn nhiễu và xác định các trường nhiễu mà nguồn có thể bức xạ. Hoàn thiện phương pháp giảm nguồn nhiễu ngay tại nơi chúng xuất hiện. Chúng ta cần tiếp tục: o Cải thiện đặc tính các bộ lọc dùng thạch anh và ống dẫn sóng. o Bọc chắn trường điện từ và nối đất tốt. Ngoài ra bằng máy tính điện tử thành lập “phương pháp mô hình hoá môi trường điện từ” có xét tới các thiết bị điện từ cụ thể. Máy tính có thể đưa ra các tham số (có xét tới độ bất ổn định) của máy thu, máy phát và anten. Mô hình hoá có thể đưa ra các khuyến nghị giảm thiểu các tác động của nhiễu trên các thiết bị cụ thể. 7 @3!!" ON Việc lựa chọn đúng các phần tử chủ động và thụ động, và dùng các kỹ thuật thiết kế mạch tốt ngay từ đầu cho một thiết kế mới và dự án phát triển, sẽ giúp đạt được yêu cầu tương thích điện từ (EMC) một cách hiệu quả nhất, giảm chi phí, kích thước và trọng lượng của bộ lọc và che chắn cuối cùng. Những kỹ thuật này cũng cải thiện tính toàn vẹn tín hiệu số và SNR tương tự, và có thể tiết kiệm ít nhất một lần lặp của phần cứng và phần mềm. Điều này sẽ giúp sản phẩm mới đáp ứng các tiêu chí kỹ thuật. Những kỹ thuật EMC này được xem là một phần của lợi thế cạnh tranh của công ty. @3D6',+6<'bc8R:%W'(:,X0,H6<':Y:]-'(:,67:+7Td0,bc 2.1.1 Lựa chọn linh kiện: Hầu hết các nhà sản xuất IC số có ít nhất một vùng glue-logic với độ phát xạ thấp, và một vài phiên bản chip I/O cải thiện khả năng chống nhiễu với ESD. Hình 2.1 Phổ của xung vuông lý tưởng 60Mhz Các mạch số hầu như dùng xung vuông. 8 Tốc độ xung clock càng nhanh, thì cạnh càng dốc, tần số và độ phát xạ các hài càng cao. Vì vậy, luôn luôn chọn tốc độ xung clock chậm nhất mà vẫn cho phép các sản phẩm đạt được đặc điểm kỹ thuật. Chọn mạch tích hợp đảm bảo toàn vẹn tín hiệu và tính năng EMC, chẳng hạn như: - Giảm thay đổi điện áp ngõ ra và điều khiển tốc độ đáp ứng: Giảm thay đổi điện áp ngõ ra và điều khiển tốc độ đáp ứng để giảm dV/dt và dI/dt của các tín hiệu và có thể giảm độ phát xạ một vài dB. Mặc dù các kỹ thuật này cải thiện độ phát xạ, chúng có thể làm giảm khả năng miễn dịch trong một số trường hợp, do đó, cần có sự thỏa hiệp. - Đường truyền tương thích với ngõ vào/ngõ ra: IC có ngõ ra tương thích với đường truyền là cần thiết khi các tín hiệu tốc độ cao được gửi lên dây dẫn dài. Ví dụ: bus driver có sẵn lái một tải 25W. Nó sẽ lái 1 đường truyền 25W (ví dụ như RAMBUS), hoặc sẽ lái 2 đường 50W, 4 đường 100W, 6 đường 150W (khi kết nối sao). - Cân bằng tín hiệu: Cân bằng tín hiệu sử dụng các tín hiệu ± và không sử dụng 0V như trở lại tín hiệu . IC như vậy là rất hữu ích khi lái tín hiệu tốc độ cao (ví dụ như đồng hồ 66MHz) bởi vì chúng giúp duy trì tính toàn vẹn tín hiệu và cũng có thể cải thiện đáng kể độ phát xạ chung và độ vượt nhiễu. - Đường đất thấp: IC với đường đất thấp sẽ tốt cho tương thích điện từ hơn. - Phát xạ mức thấp: Hầu hết các nhà sản xuất IC có vùng logic –glue với độ phát xạ thấp Ví dụ ACQ và ACTQ (Advanced Configuration and Power Interface) có độ phát xạ thấp hơn so với AC và ACT. Một số VLSI trong phiên bản "EMC thân thiện", ví dụ như Philips có ít nhất hai mô hình bộ vi xử lý 80C51 phát xạ ít hơn so với các sản phẩm 80C51 của hãng khác đên 40dB. 9 - Nên sử dụng họ logic không bão hòa: Họ logic không bão hòa được ưa thích, bởi vì thời gian lên và xuống có xu hướng phẳng hơn và chứa số lượng ít các hài bậc cao hơn logic bão hòa như TTL. - Mức độ vượt nhiễu đối với ESD (hiện tượng phóng tĩnh điện) và các hiện tượng đáng lo ngại khác: Thiết bị truyền thông nối tiếp (ví dụ như RS232, RS 485) sẵn có có mức độ vượt nhiễu cao đối với hiện tượng phóng tĩnh điện ESD và trên các chân của chúng. Nếu hiệu suất vượt nhiễu của chúng không được chỉ rõ thì ít nhất cũng đạt tiêu chuẩn và mức độ mà bạn cần cho sản phẩm. - Điện dung đầu vào thấp: Các thiết bị có điện dung đầu vào thấp giúp giảm xảy ra dòng đỉnh khi trạng thái logic thay đổi, và do đó giảm phát xạ từ trường và dòng trở lại mặt đất (hai nguyên nhân chính của phát xạ kỹ thuật số). - Năng lực drive ngõ ra không lớn hơn ứng dụng cần thiết: Dòng điều khiển ngõ ra của ICs (đăc biệt bus driver) không nên lớn hơn cần thiết. Năng lực điều khiển tăng lên cũng có thể có nghĩa rằng các IC có thời gian lên và xuống nhanh hơn, dẫn đến vấn đề tăng đột biến của toàn vẹn tín hiệu cũng như các cấp độ cao của phát xạ RF. Tất cả những điều trên phải đảm bảo tối thiểu hoặc tối đa (nếu thích hợp) các thông số kỹ thuật (hoặc ít nhất là thông số kỹ thuật điển hình) trong datasheet. Các nhà cung cấp IC công nghệ cao có thể cung cấp hướng dẫn thiết kế EMC chi tiết, như Intel làm cho chip Pentium MMO của nó. Tư vấn thiết kế EMC chi tiết cho thấy các nhà sản xuất quan tâm đến nhu cầu thực sự của khách hàng, và đưa ra lời khuyên khi lựa chọn thiết bị. Hiện nay, một số FPGAs (và có thể IC) có khả năng lập trình tốc độ quay, khả năng điều khiển đầu ra và / hoặc trở kháng đầu ra của tín hiệu điều khiển. Đặc điểm điều khiển có thể được điều chỉnh để cung cấp cho toàn vẹn tín hiệu tốt hơn hoặc thực hiện EMC và điều này giúp tiết kiệm 10 [...]... thích( ví dụ như sử dụng ECL, LVDS, USB) Tần số tín hiệu với điện áp thấp được ưa thích phụ thuộc vào độ dài của cáp, kiểu của nó và hiệu suất EMC và các thiết kế mạch truyền và nhận Các kỹ thuật truyền dẫn dòng có thể cần thiết cho tín hiệu tương tự hoặc kỹ thuật số tốc độ cao, tùy thuộc vào độ dài của kết nối và tần số cao nhất được truyền Thậm chí đối với các tín hiệu tần số thấp, thì khả năng vượt nhiễu... như hình 2.7 24 Hìn h 2.7 Chỉnh lưu chuyển mạch mềm hồi phục nhanh 25 CHƯƠNG 3 TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ TRONG MÔI TRƯỜNG TRUYỀN TÍN HIỆU 3.1 Truyền tín hiệu trong môi trường phi kim loại Môi trường truyền tín hiệu tốt nhất đảm bảo EMC là hồng ngoại hoặc quang học, thông qua không gian tự do (ví dụ như IRDA) hoặc sợi quang Máy phát của chúng không phát xạ quá nhiều, và máy thu đủ sức chống nhiễu, nhưng thường... thuộc Các kỹ thuật truyền dẫn dòng có thể cần thiết cho tín hiệu tương tự tốc độ cao (ví dụ như tín hiệu RF) tùy thuộc vào chiều dài của kết nối của chúng và tần số cao nhất được truyền Ngay cả đối với các tín hiệu tần số thấp, độ vượt nhiễu sẽ được cải thiện bằng cách sử dụng các kỹ thuật đường truyền cho các mối kết nối, kể từ khi dây truyền tải với chiều dài bất kỳ hoạt động như ăng ten và không... và giúp giảm bớt những rủi ro của việc thử nghiệm EMC Dây điện và cáp thường có lợi hơn bên trong một sản phẩm được che chắn hoàn toàn, nhưng do các vấn đề nội EMC, và tốc độ lan truyền chậm trong các loại cáp có thể dẫn đến sự thay thế là tia hồng ngoại hoặc quang học trở nên hấp dẫn hơn 3.2 Kỹ thuật truyền tín hiệu trong môi trường kim loại Các kỹ thuật truyền thông tin tín hiệu single-ended có hiệu. .. không cho phép thay đổi nhanh chóng trong trạng thái logic 34 KẾT LUẬN Tương thích điện từ trong thiết kế mạch tích hợp là một đề tài quan trọng trong công nghiệp vi mạch Tần số hoạt động cao và sự tích hợp ngày càng phức tạp sẽ là thách thức lớn trong việc phát triển của công nghệ, vì vậy càng phải đảm bảo mức bức xạ thấp và độ chống nhiễu cao trong mạch tích hợp Trong giới hạn của tiểu luận này, chỉ... kết nội bộ, và tất cả các kết nối bên ngoài sẽ bị ảnh hưởng từ môi trường điện từ bên ngoài Các bộ lọc kết hợp với một IC nên kết nối với plane 0V cục bộ của nó Thiết kế bộ lọc có thể được kết hợp với việc cách ly galvanic (ví dụ như máy biến áp) để cung cấp sự bảo vệ từ DC đến nhiều GHz Sử dụng các đầu vào và đầu ra cân bằng (khác biệt) có thể giúp giảm kích thước bộ lọc trong khi vẫn duy trì sự từ. .. các mạch tương tự cần phải duy trì tuyến tính và độ ổn định trong quá trình giao thoa Đây là vấn đề cụ thể cho các mạch hồi tiếp Kiểm tra độ ổn định và tuyến tính của các mạch hồi tiếp bằng cách loại bỏ tất cả tải đầu vào, đầu ra và các bộ lọc, sau đó chèn sóng vuông có cạnh nhanh 17 (thời gian lên . hiểu làm thế nào để giải quyết những thay đổi EMC từ mặt nạ IC mới. Có thể thực hiện kiểm tra hiệu suất EMC IC để xem liệu một họ mới có hiệu suất EMC khác như thế nào, vì lý do gì. Điều này. hoặc thay đổi cách bố trí PCB. Trường hợp biểu diễn EMC IC là chưa biết, lựa chọn đúng ở giai đoạn thiết kế ban đầu có thể được thực hiện bởi EMC thử nghiệm một loạt tranh trong một mạch đơn. cung cấp IC công nghệ cao có thể cung cấp hướng dẫn thiết kế EMC chi tiết, như Intel làm cho chip Pentium MMO của nó. Tư vấn thiết kế EMC chi tiết cho thấy các nhà sản xuất quan tâm đến nhu cầu