Ảnh hưởng của nhiễu xuyên kênh đến chất lượng tín hiệu trong bo mạch tốc độ cao

t trong những loại nhiễu cần quan tâm nhất để đảm bảo tính toàn vẹn của tín hiệu. Muốn giảm thiểu nhiễu xuyên kênh, các nhà thiết kế phải phân tích và mô phỏng các tín hiệu trên các bo mạch trước trong và sau khi thiết kế mạch in. Bằng cách sử dụng công cụ mô phỏng Hyperlynx của hãng Mentor Graphics; bài báo này sẽ phân tích, mô phỏng và đưa ra các kết quả để thể hiện sự giảm thiểu nhiễu xuyên kênh trong khi thiết kế các bo mạch in tốc độ cao. Từ khóa—Nhiễu xuyên kênh; tính toàn vẹn của tín hiệu; tín hiệu tốc độ cao; bo mạch; suy hao tín hiệu; phân tích; mô phỏng. I. GIỚI THIỆU Trong các hệ thống điện tử số, dạng điện áp hoặc dòng điện được biểu diễn bởi một dãy tín hiệu nhị phân, với một khoảng cách ngắn và tốc độ bit dữ liệu thấp thì một dây dẫn đơn giản có thể truyền nguyên vẹn các tín hiệu đó từ nguồn đến đích. Tuy nhiên, với một khoảng cách truyền dài và tốc độ dữ liệu cao thì có rất nhiều hiệu ứng có thể tác động đến tín hiệu, làm cho tín hiệu bị suy giảm và gây lỗi cho hệ thống, vì vậy quá trình phân tích về sự toàn vẹn của tín hiệu là vô cùng quan trọng trong các bo mạch tốc độ cao [6]. Các hiệu ứng gây nhiễu này có rất nhiều mức: mức kết nối bên trong của các IC tích hợp cao đến các chân của chúng, mức bo mạch in và mức các cổng kết nối đến các bo mạch in bên ngoài. Trong các mức này ta quan tâm đến mức bo mạch in, tức là các kết nối từ chip đến chip và từ chip đến các cổng kết nối [9]. Một vài vấn đề liên quan đến tính toàn vẹn của tín hiệu trong mức bo mạch in là: nhiễu phản xạ của tín hiệu, nhiễu xuyên kênh, nhiễu do nguồn và đất, và các vấn đề về EMI. Nhiễu phản xạ xảy ra do không phối hợp trở kháng của các đoạn mạch, do ảnh hưởng của đoạn dư thừa, do các điểm kết nối hay do sự gián đoạn của các cổng kết nối. Nhiễu nguồn đất do nhiễu ký sinh và nhiễu nền trong hệ thống. Nhiễu xuyên kênh do ảnh hưởng qua lại của các đường mạch trong bo mạch. Bài báo này sẽ phân tích nhiễu xuyên kênh trong các bo mạch tốc độ cao, sử dụng phần mềm Hyperlynx của hãng Mentor Graphics để mô phỏng và từ đó đánh giá kết quả [7], [8]. II. NHIỄU XUYÊN KÊNH TRONG CÁC BO MẠCH TỐC ĐỘ CAO A. Nhiễu xuyên kênh Nhiễu xuyên kênh là nhiễu do ảnh hưởng của điện trường ghép giữa các đường mạch in trong cùng một lớp mạch in hay giữa hai lớp mạch in kề nhau. Nhiễu xuyên kênh xảy ra trong thời điểm khi đường mạch in mang tín hiệu chuyển mạch từ mức cao sang thấp hoặc ngược lại. Trong khoảng thời gian chuyển mạch này, đường mạch in mang tín hiệu sẽ gây ra một dòng điện hoặc điện áp lên trên đường mạch in đặt gần nó. Hiệu ứng không mong muốn này tác động lên các đường mạch in mang các tín hiệu quan trọng như tín hiệu đồng bộ, tín hiệu tốc độ cao làm gây lỗi cho hệ thống [9]. Hai đường mạch in đặt gần nhau luôn xuất hiện điện dung ghép và điện cảm ghép giữa chúng. Vì vậy, nhiễu xuyên kênh phụ thuộc vào hai thông số: sự ghép điện dung và sự ghép điện cảm giữa các đường mạch in kề nhau [4], [5]. Hình 1. Nhiễu xuyên kênh do ghép điện cảm Biên độ của nhiễu do sự ghép điện cảm: driver mNoise dl V L dt  (1) Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) ISBN: 978-604-67-0349-5 470 Hình 2. Nhiễu xuyên kênh do ghép điện dung Biên độ của nhiễu do sự ghép điện dung: driver mNoise dl I C dt  (2) B. Phân loại nhiễu xuyên kênh Xem xét hai đường mạch in như ở hình 1. Đường mạch in mang tín hiệu chuyển mạch gọi là đường “tác nhân”, đường mạch in liền kề với đường “tác nhân”, chịu ảnh hưởng nhiễu xuyên kênh do đường “tác nhân” gây ra gọi là đường “bị tác động”. Đường “tác nhân” khi chuyển mạch tạo ra trên đường “bị tác động” hai loại nhiễu xuyên kênh. Nhiễu xuyên kênh chạy cùng hướng với hướng truyền của tín hiệu gọi là nhiễu xuyên kênh cùng chiều. Nhiễu xuyên kênh chạy theo hướng ngược lại là nhiễu xuyên kênh ngược chiều [4]. Hình 3. Các loại nhiễu xuyên kênh Cả hai loại nhiễu xuyên kênh này có đặc tính và biên độ khác nhau nhưng chúng đều ảnh hưởng đến tín hiệu và cần phải loại bỏ. III. MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Trong phần này sử dụng phần mềm HyperLynx của hãng Mentor Graphic để mô phỏng và đánh giá nhiễu xuyên kênh trong bo mạch [8]. Sử dụng mạch mô phỏng như hình 4, với kênh truyền thứ nhất truyền tín hiệu từ đầu phát (U1) đến đầu thu (U2). Kênh truyền này truyền tín hiệu chuyển mạch - đường “tác nhân”. Kênh truyền thứ hai truyền từ đầu phát (U4) đến đầu thu (U5). Kênh truyền thứ hai này chưa có tín hiệu - đường “bị tác động”. Cả hai kênh truyền đều có model bên phát là hphy_tx.ibs, model bên thu là stratix_v_gx_rx.ibs. Dựa trên mạch mô phỏng như trên ta xem xét nhiễu xuyên kênh trong hai kịch bản mô phỏng [8]. Hình 4. Sơ đồ mạch mô phỏng - Kịch bản 1: Sử dụng hai đường mạch in đặt kề nhau trong cùng một lớp. - Kịch bản 2: Sử dụng hai đường mạch in đặt chồng nhau ở hai lớp kế cận nhau. Qua hai kịch bản mô phỏng trên ta sẽ xem xét kết quả mô phỏng từ đó đưa ra các kết luận. A. Khi hai đường mạch in cùng nằm trong một lớp Sử dụng cặp đường mạch in tại lớp thứ 20 trong một cấu trúc mạch in gồm 22 lớp. Lớp mạch in thứ 20 này là lớp tín hiệu được bố trí giữa hai lớp mặt phẳng nguồn (lớp 19) và lớp mặt phẳng GND (lớp 21). Việc bố trí các lớp như thế này làm cho những đường mạch in trong lớp 20 đảm bảo được trở kháng, chống nhiễu tốt. Khoảng cách từ lớp thứ 19 đến lớp 20 (lớp tham chiếu của những tín hiệu trên lớp 19) là h = 4.5 mils (1mil = 0.0254mm). Tốc độ truyền tín hiệu trên kênh truyền là 10Gb/s. Độ dài đường mạch in từ bên phát đến bên thu là l = 20 inch. Thực hiện mô phỏng với khoảng cách giữa hai đường mạch tăng dần. 1) Kết quả mô phỏng lần 1, kịch bản 1: Đường mạch in thứ nhất mang tín hiệu, đường mạch in thứ hai chưa mang tín hiệu: + Lần thứ 1: d = 1 mil< h + Lần thứ 2: d = 9 mils =2h + Lần thứ 3: d = 18 mils = 4h L19_PWR6 L21_GND6 Hình 5. Ảnh hưởng trường điện từ giữa hai kênh truyền khi khoảng cách giữa chúng là 1mil Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) ISBN: 978-604-67-0349-5 471 -800.0 -600.0 -400.0 -200.0 -0.00 200.0 400.0 600.0 800.0 1000.0 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00 350.00 400.00 Time (ps) V o l t a g e - m V - V [U1.1 (at pin) / U1.2 (at pin)] Hình 6. Giản đồ mắt của tín hiệu trên đường thứ nhất tại đầu phát khi khoảng cách giữa chúng là 1mil -800.0 -600.0 -400.0 -200.0 -0.00 200.0 400.0 600.0 800.0 1000.0 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00 350.00 400.00 Time (ps) V o l t a g e - m V- Hình 7. Giản đồ mắt của tín hiệu trên đường thứ nhất tại đầu thu khi khoảng cách giữa chúng là 1mil BẢNG 1. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG LẦN 1, KỊCH BẢN 1 Tốc độ bit Độ dài đường mạch (inch) Khoảng cách giữa 2 đường mạch (mils) Đường mạch Truyền / Nhận Peak-to-peak Max peak (mV) Min peak (mV) Positive Oversh oot (mV) Negative Overshoot (mV) Eye width (ps) Eye Height (mV) 10G 20 1 Đường 1 Truyền 1.32 V 665.2 -651.1 195.4 183.6 90.726 658.9 Nhận 1.09 V 586.6 -499.5 274.3 232.7 34.602 125 Đường 2 Truyền 185.1 mV Nhận 126.4 mV 9 Đường 1 Truyền 1.35 V 676.4 -676.4 204.8 205.9 90.747 650.1 Nhận 1.12 V 586.8 -531.1 234.3 210.7 51.022 228.6 Đường 2 Truyền 13.38 mV Nhận 3.57 mV 18 Đường 1 Truyền 1.35 V 676.5 -676.5 204.9 206 90.743 650.1 Nhận 1.12 V 586.8 -531.2 234.2 210.7 51.051 228.8 Đường 2 Truyền 1.78 mV Nhận 890.613 uV Kết quả: Dựa vào kết quả ở bảng 1, ta thấy khi khoảng cách hai đường là 1 mil thì đường thứ 2 tuy không mang tín hiệu nhưng xuất hiện nhiễu với biên độ lên đến 185.1 mV trên đường truyền và 126.4 mV trên đường nhận. Khi khoảng cách giữa hai đường tăng thì nhiễu xuyên kênh giảm dần biên độ. 2) Kết quả mô phỏng lần 2, kịch bản 1: Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) ISBN: 978-604-67-0349-5 472 Cả hai đường mạch in đều mang tín hiệu. Thực hiện tương tự với các khoảng cách đường mạch in như lần 1. Kết quả: Tương tự như kết quả mô phỏng lần thứ nhất, khi khoảng cách giữa hai đường truyền càng xa dần thì nhiễu xuyên kênh giữa hai đường truyền giảm dần. BẢNG 2. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG LẦN 2 Tốc độ bit Độ dài đường mạch (inch) Khoảng cách giữa 2 đường mạch (mils) Đường mạch Truyền / Nhận Peak-to- peak Max peak (mV) Min peak (mV) Positive Overshoot (mV) Negative Overshoot (mV) Eye width (ps) Eye Height (mV) 10G 20 1 Đường 1 Truyền 1.23 V 627.7 -604.5 159.4 144.3 88.106 691.2 Nhận 1.05 V 586.9 -467.2 286.9 306.8 1.187 3.31 Đường 2 Truyền 1.27 V 683.1 -582.1 212.8 119.9 87.759 697 Nhận 1.08 V 586.7 -493.1 291.9 241.8 2.476 7.42 9 Đường 1 Truyền 1.35 V 672 -673.5 200.7 203.8 90.715 650.9 Nhận 1.12 V 586.8 -529.9 234.6 209.6 51.027 228.3 Đường 2 Truyền 1.35 V 675.8 -671.5 204.2 201.5 90.679 649.9 Nhận 1.12 V 586.7 -531.6 234.5 211.2 51.105 229 18 Đường 1 Truyền 1.35 V 676.3 -676.4 204.6 205.9 90.74 650.1 Nhận 1.12 V 586.8 -531.2 234.2 210.6 51.089 229 Đường 2 Truyền 1.35 V 676.4 -676.2 204.7 205.8 90.736 648.8 Nhận 1.12 V 586.7 -531.3 234.1 210.7 51.13 229.3 B. Khi hai đường mạch in nằm trong 2 lớp kế cận nhau Sử dụng mạch in gồm 10 lớp. Đường mạch in thứ nhất nằm trên lớp thứ 7, đường mạch in thứ hai nằm trên lớp thứ 8. Hai lớp tín hiệu thứ 7 và 8 này được đặt ở giữa lớp 6 (mặt phẳng nguồn) và lớp 9 (mặt phẳng GND). Khoảng cách giữa lớp 7 và 8 là 4.5 mils, khoảng cách giữa lớp 7 và lớp 6, giữa lớp 8 và lớp 9 là 4.2 mils. Tốc độ truyền tín hiệu trên kênh truyền là 10Gb/s Độ dài đường mạch in từ bên phát đến bên thu là l = 5 inch. Thực hiện mô phỏng với khoảng cách giữa hai đường mạch tăng dần: 1) Kết quả mô phỏng lần 1, kịch bản 2: Đường mạch in thứ nhất mang tín hiệu, đường mạch in thứ hai chưa mang tín hiệu. + Lần thứ 1: d = 0 mil trùng nhau + Lần thứ 2: d = 13.5 mils + Lần thứ 3: d = 27 mils Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) ISBN: 978-604-67-0349-5 473 L6_PWR L9_GND Hình 8. Ảnh hưởng trường điện từ giữa hai kênh truyền khi khoảng cách giữa chúng là 4.5 mils BẢNG 3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG LẦN 1, KỊCH BẢN 2 Tốc độ bit Độ dài đường mạch (inch) Khoảng cách giữa 2 đường mạch (mils) Đường mạch Truyền / Nhận Peak-to- peak Max peak (mV) Min peak (mV) Positive Overshoot (mV) Negative Overshoot (mV) Eye width (ps) Eye Height (mV) 10G 5 0 Đường 1 Truyền 1.44 V 711.5 -723.9 210.8 224.2 82.444 804.8 Nhận 1.20 V 599.3 -599 79.88 87.25 89.461 873 .4 Đường 2 Truyền 296.1 mV Nhận 100.6 mV 13.5 Đường 1 Truyền 1.45 V 719.2 -728.1 211.5 223.9 82.073 827.2 Nhận 1.22 V 612.4 -603.1 84.17 83.82 89.239 893.3 Đường 2 Truyền 141.6 mV Nhận 69.04 mV 27 Đường 1 Truyền 1.47 V 729.8 -736.9 217.8 225.6 81.895 843.9 Nhận 1.24 V 622.2 -617.7 86.82 88.97 89.205 915.2 Đường 2 Truyền 23.33 mV Nhận 11.09 mV Nhận xét: Khi hai đường truyền đặt chồng lên nhau thì nhiễu xuyên âm càng lớn. Như trong bảng 3, đường truyền thứ hai chưa có tín hiệu nhưng chịu nhiễu từ đường truyền thứ nhất có biên độ nhiễu lên đến 296.1 mV với bên phát và 100.6 mV với bên thu. Khi ta tăng khoảng cách các kênh truyền này thì biên độ của nhiễu xuyên kênh giảm dần. 2) Kết quả mô phỏng lần 2, kịch bản 2: Cả hai đường mạch in đều mang tín hiệu. Nhận xét: Trong trường hợp cả hai đường đều mang tín hiệu, nhiễu xuyên kênh vẫn tác động qua lại giữa hai đường. Điều này làm cho tín hiệu tại đầu phát và thu của hai đường truyền đều bị nhiễu. Khi khoảng cách giữa hai đường càng xa thì nhiễu xuyên kênh giữa hai kênh càng giảm. Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) ISBN: 978-604-67-0349-5 474 BẢNG 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG LẦN 2, KỊCH BẢN 2 Tốc độ bit Độ dài đường mạch (inch) Khoảng cách giữa 2 đường mạch (mils) Đường mạch Truyền / Nhận Peak-to-peak Max peak (mV) Min peak (mV) Positive Overshoot (mV) Negative Overshoot (mV) Eye width (ps) Eye Height (mV) 10G 5 0 Đường 1 Truyền 1.57 V 778.4 -789.9 216.5 226.2 81.901 964.9 Nhận 1.25 V 628.1 -621.9 93.63 95.29 88.935 901.2 Đường 2 Truyền 1.57 V 779 -787.8 213.7 220.7 82.583 975.8 Nhận 1.25 V 629.5 -623.5 95 96.89 89.052 890.4 13.5 Đường 1 Truyền 1.40 V 682.1 -721.3 198.9 242.1 81.867 736.2 Nhận 1.20 V 611.6 -587.2 92.65 74.57 89.324 869.6 Đường 2 Truyền 1.38 V 700 -680.6 214.6 195.5 82.757 739.6 Nhận 1.21 V 597.9 -612.4 77.75 100.2 89.813 863 27 Đường 1 Truyền 1.46 V 724.1 -734 216.3 227.1 81.872 828.4 Nhận 1.24 V 621.8 -614.5 87.45 86.3 89.269 914.2 Đường 2 Truyền 1.45 V 720.8 -724.3 208.9 213.4 82.574 843.2 Nhận 1.23 V 615.7 -617.1 81.44 89.61 89.461 907 IV. KẾT LUẬN Khi thiết kế mạch in tốc độ cao, các vấn đề về nhiễu luôn phải được xem xét. Nhiễu xuyên kênh là một trong những loại nhiễu ảnh hưởng tới mạch in và cần phải được loại bỏ. Khi khoảng cách giữa các đường truyền càng xa thì nhiễu xuyên kênh càng giảm thiểu. Vì vậy trong khi đi dây cho các đường mạch tốc độ cao thì phải thực hiện như sau [1], [2], [3]: - Đường truyền tốc độ cao phải được bố trí ưu tiên nhất trong các đường mạch, nên đi dây các đường truyền này trên những lớp ở dưới cùng của bo mạch in để giảm thiểu đoạn dư thừa. Phải được tham chiếu đầy đủ lên các lớp mặt phẳng để đảm bảo được sự phối hợp trở kháng. - Khoảng cách giữa hai đường truyền cùng trên một lớp càng xa càng tốt, tối thiểu là phải được gấp ba lần khoảng cách giữa đường truyền tới mặt phẳng tham chiếu gần nhất. - Các linh kiện có các kết nối tốc độ cao thì nên được đặt gần nhau để giảm thiểu khoảng cách của đường truyền. - Các đường truyền nằm trên hai lớp khác nhau nhưng không có lớp mặt phẳng tham chiếu ở giữa thì nên được đi vuông góc với nhau để triệt tiêu nhiễu xuyên kênh, tránh những trường hợp đi song song với nhau quá dài. - Không đi các đường dây mang tín hiệu tương tự băng qua vùng đi dây của tín hiệu tốc độ cao vì chúng sẽ làm can nhiễu lên nhau. Các đường mạch tốc độ cao cũng nên được tránh xa các nguồn nhiễu trên bo như: bộ nguồn, các tín hiệu RF, tín hiệu đồng bộ, Thực hiện tốt các bước trên thì tín hiệu trên các đường truyền sẽ đảm bảo được tính toàn vẹn của nó, tuy nhiên vấn đề đặt ra là phải tính toán sao cho kích thước của bo mạch in được tối thiểu hóa. Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) ISBN: 978-604-67-0349-5 475 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Altera Corporation, High-Speed Board Layout Guidelines, Application note 224, Ver.1.2, 2009. [2] Altera Corporation, High-Speed Board Designs, Application note 75, Ver.4.0, 2001. [3] Altera Corporation, Via Optimization Techniques for High- Speed Chanel Designs, Application note 529, Ver.1, 2008. [4] Douglas Brooks, Differential Trace Design Rules Truth vs Fiction, UltraCAD Design, 2002. [5] Howard W. Johnson and Martin Graham, High-Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic, Prentice Hall, New Jersey, 1993. [6] Kraig Mitzner, Complete PCB Design Using OrCad Capture and Layout, Newnes, USA, 2007. [7] Mark Glenewinkel, System Design and Layout Techniques for Noise Reduction in MCU-Based Systems, Motorola Application note, 1995. [8] Mentor Graphics, HyperLynx Signal Integrity Analysis, Mentor Graphics, USA, 2005. [9] Stephen C. Thierauf, High-Speed Circuit Board Signal Integrity, Artech House, London, 2004. Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) ISBN: 978-604-67-0349-5 476