Mở đầu

Hiện nay, nền công nghiệp điện tử và vi điện tử đang có những bước phát triển

nhảy vọt. Kích thước linh kiện ngày càng nhỏ, quy mô tích hợp linh kiện trên mạch in

ngày càng cao, hay tần số tín hiệu càng được mở rộng. Tuy nhiên, hệ quả đi kèm là

trường nhiễu điện từ trở nên rất phức tạp. Nhiễu điện từ có thể làm rối loạn, gián đoạn

các đường truyền, hay làm cản trở, suy hao tín hiệu điện trong mạch, nguy hiểm hơn cả là

làm mất hay sai lệch dữ liệu. Các nguồn nhiễu điện từ không chỉ tồn tại độc lập, mà

chúng tương tác lẫn nhau, tạo ra một trường nhiễu đa thành phần : nhiễu từ nguồn nuôi,

nhiễu do tín hiệu phát xạ từ các đường mạch in, nhiễu từ các nguồn phát không chủ ý…

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 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): 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): Trong đó thiết bị cần đo, chịu tác động có

sóng chấn tử do một nguồn tạo sóng phát ra. 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.

Như vậy, có thể thấy vấn đề triệt nhiễu luôn luôn là vấn đề quan trọng trong sự phát triển

ngành điện tử viễn thông nói riêng, và còn là vấn đề của toàn bộ các hệ thống nhúng công

nghiệp hay ngành truyền thông thông tin nói chung.

Vì vậy, báo cáo này sẽ nghiên cứu về các tác nhân gây nhiễu và một số phương

pháp xử lý nhiễu, “Về vấn đề triệt nhiễu trong mạch in”.

Chương 1: Tổng quan về tương thích điện từ - Cấu trúc board mạch in

1.1 Tổng quan về tương thích điện từ

1.1.1 Tương thích điện từ là gì.

Tương thích điện từ (TTĐT) là 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 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 TTĐT 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

- 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

- 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 TTĐT 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

1.1.2 Các thành phần cơ bản của nhiễu điện từ

Thành phần cơ bản của nhiễu điện từ chính là dòng chuyển dời của các hạt

electron. Khi thiết bị hoạt động tại vùng tần số thấp, điện trường và từ trường ít tương tác

với nhau, gần như hoạt động độc lập. Tuy nhiên, với điều kiện hoạt động tần số cao,

trường tương tác điện từ lại gây ra nhiều vấn đề quan trọng.

Điện trường tỉ lệ thuận với điện áp trong hệ thống điện, vì vậy điện trường sẽ gây

ra EMI tại những khu vực lân cận vùng điện áp cao. Thông thường nhiễu EMI cao nhất

gây ra bởi điện trường xuất hiện tại vùng nguồn cấp, cable và các connector đấu nối.

Từ trường tỉ lệ thuận với dòng điện trong mạch, có khả năng gây ra nhiễu EMI

thường xuyên hơn so với ảnh hưởng của từ trường. Ảnh hưởng của từ trường càng rõ

ràng hơn khi dòng điện qua các dây dẫn lớn.

Với các mạch tần số cao, điện trường kết hợp với từ trường tạo thành trường điện

từ, bức xạ ra không gian với vân tốc ánh sáng. Các nguồn phổ biến có thể liệt kê như

radar, đài phát thanh, đài truyền hình, sóng di động, WLAN, Bluetooth. Các anten trong

các ứng dụng này là nguồn gây ra cũng đồng thời là nguồn thu nhiễu điện từ. Đặc biệt,

các dây dẫn trong mạch điện tử cũng đóng vai trò tương từ góp phần gia tăng trường

nhiễu

1.1.3 Mô hình hóa nhiễu điện từ

Mô hình sau đây trình bày mô hình nhiễu EMI đơn giản nhất

Hình 1. Các thành phần EMI

Ví dụ về nguồn nhiễu có thể liệt kê là đường dây trên hệ thống điện, dây dẫn trong

các mạch điện tử, anten của hệ thống truyền thông không dây...Thiết bị kết nối là các

terminal, connector hay các đoạn dây dẫn, ống dẫn có tác dụng kết nối các mạch điệnvới

nhau, hay thiết bị chia sẻ dòng điện, điện áp với các mạch điện khác. Cơ cấu chịu tác

động có thể là bất kì thiết bị điện, điện tử nằm trong vùng ảnh hưởng của trường nhiễu.

Nguồn gây

nhiễu

Thiết bị

kết nối

Cơ cấu

chịu tác

động EMI

Hình 2. Mô hình nhiễu điện từ trong mạch nhúng

Các loại mô hình nhiễu EMI được liệt kê như sau:

EMI ghép nối trở kháng

EMI ghép nối điện dung

EMI ghép nối cảm kháng

EMI ghép nối bức xạ

Bảng 1. Đặc tính của các loại nhiễu

Nguồn Tần số Ghép nối Dải tác động Đích

Điện trường Thấp Điện dung Ngắn Cable

Từ trường Thấp Cảm kháng Ngắn Cable

Điện từ trường Cao Bức xạ Dài Cable

Các tác động và ảnh hưởng giảm dần theo thứ tự EMI cảm kháng, EMI điện dung và

EMI trở kháng. Nhìn chung, EMI bức xạ không gây ra nhiều ảnh hưởng vì các nhà xản

xuất thiết bị không dây phải đảm bảo tuân thủ các quy định về EMC. Tuy nhiên, trong

bối cảnh có quá nhiều thiết bị không dây được sử dụng, vấn đề EMI bức xạ sẽ ngày càng

được quan tâm đúng mức.

1.1.3.1 EMI ghép nối trở kháng

Hình 3. Ghép nối trở kháng

Vòng 1 là mạng lưới cấp nguồn cho hệ thống, vòng 2 là đường truyền dữ liệu của

hệ thống. Tín hiệu dữ liệu của hệ thống là u2. Thành phần điện áp chồng đến điện áp u2 là

uc, thành phần này phụ thuộc vào trở kháng Zc = Rc + jῳLc. Thông thường thành phần trở

kháng này bé hơn rất nhiều so với trở kháng nguồn Zi + ZL nên ta có:

Uc = Zc x i1 =

x u1

Nếu thành phần i1 đủ lớn thì phần điện áp chồng này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến

tín hiệu dữ liệu u2, cụ thể thành phần ảnh hưởng sẽ tỉ lệ thuận với i1 và đạo hàm bậc 1

của i1. Ta có mô hình đơn giản của ghép nối trở kháng như sau:

Hình 4. Mô hình ghép nối trở kháng đơn giản

Thành phần điện trở đóng vai trò ảnh hưởng tới hệ thống không đổi, tuy nhiên ảnh

hưởng của thành phần điện cảm lại gia tăng theo tần số.

Nếu lựa chọn các thông số thực tế gồm: chiều dài đoạn dây dẫn l = 2m, trở kháng

Lc = 1uH/m, Rc = 1Ω, I = 1A và độ biến thiên dòng điện di/dt = 1/100 A/ns. Khi đó ta có:

Rõ ràng với tần số cao, thành phần điện áp do cảm kháng gây ra đóng vai trò chi

phối. Theo định luật Kirchhoff, thành phần này sẽ gây ảnh hưởng lên toàn bộ mạch điện.

Để giảm thiểu hiệu ứng này, hệ thống phải đảm bảo độ tự cảm càng thấp càng tốt.

1.1.3.2 EMI ghép nối cảm kháng

Các dòng điện biến đổi i(t) đều gây ra từ trường B(t) gây ảnh hưởng đến các vùng

mạch lân cận. Sơ đồ mạch tương đương có thể được mô tả là mạch điện ghép nối với

nhau thông qua cặp điện cảm.

Hình 5. Ghép nối cảm kháng và mạch tương đương

Điện áp gây ra bởi dòng cảm ứng này sinh ra trường ảnh hưởng làm suy yếu các

trường thông tin hữu ích khác, hoặc chồng chập làm xáo trộn hệ thống. Độ ảnh hưởng

của tín hiệu này phụ thuộc vào 3 yếu tố:

Cường độ dòng i2(t)

Khoảng cách giữa nguồn nhiễu và trường bị ảnh hưởng nhiễu

Tần số hoạt động của trường bị ảnh hưởng nhiễu

Tín hiệu này sẽ tác động lớn đến hệ thống khi các yếu tố sau xảy ra:

Dòng điện mạch ngoài quá lớn so với mức cần thiết

Đường đi tín hiệu không đồng đều trong quá trình đi – về

Mạch điện tích hợp quá gần và bao phủ trên 1 không gian quá rộng

Hoạt động trên tần số cao và thay đổi liên tục

Ghép nối cảm kháng đôi khi lại hữu ích trong trường hợp ghép các cáp đồng trục

chính xác. Các ghép nối với trở kháng thấp hoạt động trong tần số cao giúp sinh ra trường

chống lại ảnh hưởng của các trường nhiễu bên ngoài.

Xét mạch điện 1 line và mạch điện 2 line cho đường đi và đường về. Các từ trường

gây ra bởi chúng lần lượt là:

Rõ ràng với công thức này thì ảnh hưởng của trường 1 line suy giảm theo r và

trường 2 line đi – về suy giảm nhanh theo r2. Các trường 2 line đi – về luôn ưu thế hơn

trong lĩnh vực tương thích điện từ. Trong các mạch điện tử, người ta thường cố gắng tạo

ra sự cân bằng này.

Hình 6. Suy hao trường theo khoảng cách của mạch điện 1 line và mạch điện 2 line đi –

về

1.1.3.3 EMI ghép nối điện dung

Các điện trường thay đổi cũng sinh ra trường ảnh hưởng đến mạch điện khác.

Hình 7. Ghép nối điện dung và mạch tương đương

Trường này sẽ lớn và tác động mạnh khi:

- 2 mạch điện quá sát nhau

- Chênh lệch điện áp quá lớn trong mạch

- Điện áp trong mạch thường xuyên thay đổi quá nhanh

Ví dụ, khi xem xét tương tác của nguồn cấp điện và mạch điện mạng LAN chạy song

song và cách nhau 10m. Nguồn cấp thuần sin 50Hz 220V gây nhiễu với điện áp 10V cho

hệ thống thông tin vẫn có thể chấp nhận được. Tuy nhiên khi hệ thống hoạt động với các

linh kiện cao tần hoặc tải không thuần trở sẽ gây ra các xung nhiễu lên tới 90V gây ra

hoạt động hiệu suất rất kém cho mạng LAN.

Hình 8. Mô hình 3 dây ghép điện dung

Mối quan hệ điện áp giữa các dây có thể được tính chính xác theo công thức :

Nếu lựa chọn thông số như sau : R = 1k, C = 100pF, các đường mạch có độ rộng

1mm, dài 10m và cách đều nhau 5mm. Điện áp nguồn 220VAC,, khi đó ta có đồ thị điện

áp phụ thuộc như sau :

Hình 9. Điện áp phụ thuộc theo ghép nối điện dung

Ảnh hưởng của ghép nối điện dung có thể được giảm thiểu khi sử dụng các biện

pháp bọc chắn

Hình 10. Bọc chắn cho các dây cáp

Tấm chắn S1 và S2 được kết nối như 1 điểm trong hệ thống. Khi đó tụ liên kết

Cab sẽ được cho bởi C13//C24 và Cbc là C34. Khi đó, điện áp phụ thuộc trở nên rất bé so

với điện áp nguồn, được cho bởi công thức:

1.1.3.4 EMI ghép nối bức xạ

Trường điện từ lan truyền với tốc độ ánh sáng gây ảnh hưởng đến hệ thống có thể

kể đến như sóng vô tuyến, sóng điện thoại hay các ứng dụng không dây khác. Nếu mạch

điện tử chứa các thành phần hoạt động tần số cao, chúng có thể tạo thành các anten bức

xạ điện từ.

1.2 Cấu trúc board mạch in

1.2.1 Giới thiệu

Dựa trên tài liệu hướng dẫn thiết kế PCB trên cơ sở hằng số điện môi các nguyên

vật liệu dùng để cán làm nền tảng PCB và bản chất việc thi công mạch điện tử trên PCB

là có mục đích truyền đi một tín hiệu nào đó hoặc xử lý tín hiệu rồi truyền đi.

Việc hiểu về hằng số điện môi của PCB luôn là một ẩn số và hầu như là nguồn

thông tin mơ hồ nhất của các nhà chế tạo PCB khi cung cấp cho người mua hàng, nên có

thể gây nhầm lẫn cũng như có thể áp dụng không đúng gây nhiều sai lệch theo thiết kế,

qua đó có thể dẫn đến những sai lầm khi chọn loại PCB cho sản phẩm và làm tăng giá

thành vì chọn quá an toàn. Việc chọn lựa loại PCB (tức là chọn hằng số điện môi cho

mạch thiết kế) ngày nay càng trở nên khó khăn phức tạp do tần số xung số (clock) này

càng cao và chưa hề có dấu hiệu sẽ dừng lại. Mạch điện tử hoạt động với 2 ứng dụng

chính:

Kỹ thuật tương tự/tần số cao

Kỹ thuật số

Thành phẩm điện tử được chia thành hai lĩnh vực ứng dụng chính, mỗi một lĩnh vực đều

có những yêu cầu mang tính độc đáo riêng. Các yêu cầu của hai loại vật liệu cho mỗi

lĩnh vực đều có những phát triển để đáp ứng, hiểu biết lĩnh vực và yêu cầu cơ bản của

chúng là cơ sở để chọn lựa nguyên liệu cho lắp ráp mạch sau này. Hai ứng dụng chủ

yếu là lĩnh vực là kỹ thuật tương tự tần số cao và kỹ thuật số. Sự khác biệt chính giữa hai

lĩnh vực này là khả năng của các mạch liên quan đến chịu sự tổn thất tín hiệu và sự phức

tạp của mạch.

Mạch kỹ thuật tương tự tần số cao thường là mạch xử lý tín hiệu nhỏ hoặc tín hiệu

có độ chính xác. Độ chính xác mà mà 1 mạch thực hiện thành công là khi xử lý tín hiệu

nhỏ mạch đó có tổn hao tín hiệu thấp nhất cho phép, méo dạng tín hiệu bé nhất và tạp

nhiễu tín hiệu càng nhỏ càng tốt. Tổn hao tín hiệu xảy ra là do phản xạ với trở kháng thay

đổi và từ sự hấp thụ một số tín hiệu vào trong các vật liệu điện môi, đồng thời việc xuyên

thấm tín hiệu qua các lớp điện môi gây nhiễu loạn tín hiệu cần xử lý là điều không hề

mong muốn. Đây là một yếu tố quan trọng có thể xem xét khi lựa chọn một loại điện môi

cho mạch này.

Mạch kỹ thuật số có thể chịu thiệt hại tổn thất tín hiệu chút ít mà vẫn thực hiện

thành công nhiệm vụ, mạch kỹ thuật số thường khá là phức tạp với yêu cầu vài hoặc

nhiều tín hiệu và nhiều mức nguồn cao thấp khác nhau trong nhiều lớp của PCB. Điều

này tạo cho việc cán ra PCB, khoan lỗ hay các xử lý khác dễ dàng và do đó nhiều lớp nên

PCB khá dày, nhưng việc hàn linh kiện và sửa chữa sau này có thể gây ra nhiều ứng

nhiệt/lực tại các mối hàn xuyên thấu giữa các lớp, để đảm bảo PCB không bị hỏng thì

PCB sẽ phải có đáp ứng đặc tính nhiệt độ, Tg đủ cao để chịu các công việc này. Kết quả

là đặc tính vật liệu quan trọng hơn chuyện tổn thất tín hiệu. Tuy nhiên ngày nay tần số

xung clock ngày càng cao thì tổn hao cũng cần quan tâm.

1.2.2 Các thuộc tính board mạch in

1.2.2.1 Hằng số điện môi tương đối er

Là một thuộc tính chỉ hiệu ứng độ cách điện của vật liệu có giá trị điện dung như

một dây dẫn nhúng chìm vào trong hay bao bọc quanh. Chọn hằng số điện môi thấp là

gần như luôn là lựa chọn tốt hơn.

Hằng số điện môi tương đối của hầu hết chất điện môi cán thành PCB thay đổi

theo tần số và thường giảm xuống khi tần số tăng lên. Điều này thể hiện trên dây dẫn

truyền tải điện hai chiều, tốc độ của tín hiệu tăng lên khi tần số tăng lên, dẫn đến biến

dạng pha trong các bộ khuếch đại băng thông rộng. Các bộ khuyếch đại băng thông rộng

và bộ khuyếch đại vi sóng thường cần phải được làm từ nhiều lớp với các hằng số điện

môi tương đối ít thay đổi với tần số càng nhiều càng tốt để giảm thiểu vấn đề này. Các

biến đổi này đã gây ra sai sót trong tính toán trở kháng và đo lường trở kháng.

Hình 11. Tương quan hằng số điện môi với tần số

1.2.2.2 Tg chuyển hóa nhiệt thủy tinh (Glass Transition Tempurature)

Hầu hết các loại nguyên liệu cán PCB đều có hệ số dãn nở khi nhiệt độ tăng lên,

chuyển hóa nhiệt thủy tinh hay Tg là nhiệt độ mà tại đó giãn nở nhiệt có giá trị tăng lên,

đó là pha chuyển hóa của PCB có chứa sợi thủy tinh. Hãy chú ý rằng giãn nở nhiệt ở

nhiệt độ thấp kéo đồng và thủy tinh lại gần nhau hay còn gọi là làm co lại tạo ra hai

hướng lực theo hướng X và Y của PCB. Khi nhiệt độ của hỗn hợp trong PCB vượt quá

điểm Tg thành phần resin trong đó bắt đầu giãn nở nhiều hơn độ giãn nở của đồng hay

thủy tinh. Đến khi không thể giãn nở theo chiều X-Y được nữa, resin bắt đầu giản nở theo

chiều dày hay còn gọi là chiều Z, lúc này các mối hàn và các ống xuyên tâm chịu ứng lực

theo hướng Z. Sự tổng hợp các độ dày nhiều lớp PCB hay nhiều loại chất hàn có thể tạo

ra lỗi trước khi PCB được đưa vào sản xuất vì các giãn nở này, vì thế phải cẩn thận khi

chọn PCB có Tg thích hợp với mạch ứng dụng trong môi trương có nhiệt hay mạch sinh

ra nhiệt.

Hình 12. Tg cho một số loại PCB

Bảng 2. Bảng đặc tính 1 số vật liệu PCB

Nguyên liệu Tg er Tan(f) DBV(V/mil) WA(%)

Standard FR-4 Epoxy

Glass

125 4.1 0.02 1100 0.14

Multifunctional FR-4 145 4.1 0.022 1050 0.13

Tetrafunctional FR-4 150 4.1 0.022 1050 0.13

Nelco N4000-6 170 4.0 0.012 1300 0.10

GETEK 180 3.9 0.008 1100 0.12

BT Proxy Glass 185 4.1 0.023 1350 0.20

Cyanate Ester 245 3.8 0.005 800 0.70

Polyimite Glass 285 4.9 0.015 1200 0.13

Teflon N/A 2.2 0.0002 450 0.01

1.2.3 Các loại PCB thường dùng

Tên Hình ảnh

Ceramic PCB (mạch in trên

nền sứ)

Flexible PCB (mạch in mềm

gấp lại được)

FR4 PCB (mạch in nền

FR4)

HDI PCB (mạch in mật độ

kết nối cao cho mạch kỹ

thuật số)

Heavy copper PCB (mạch in

có lớp đồng dày)

High Tg PCB (mạch in có

chuyển hóa thủy tinh mức

cao)

RF PCB (mạch in cho mạch

tần số cao)

Xtra thin PCB (mạch in siêu

mỏng)

Chương 2: Các loại nhiễu điện từ thường gặp và kỹ thuật xử lý nhiễu

2.1 Các loại nhiễu thường gặp

2.1.1 Nhiễu điện từ gây ra từ các thành phần trong mạch in

2.1.1.1 Nhiễu do tụ và cuộn cảm kí sinh

Nhiễu này thường được sinh ra do các đường mạch PCB quá sát nhau hoặc các

tấm PCB không đạt chuẩn

Hình 13. L và C kí sinh

Loại nhiễu này gây rối loạn thông tin cho các dây dẫn liền kề

Hình 14. Tác động của nhiễu

2.1.1.2 Nhiễu do điện trở dây dẫn

Thành phần nhiễu này sinh ra là do các dây dẫn chứa điện trở. Ví dụ 1 dây dẫn

PCB dày 35um rộng 0.5mm có điện trở 0.01Ω/cm DC. Vì thế tín hiệu suy hao trên dây

dẫn quá dài và nhiễu tác động vào gây tắc nghẽn hệ thông tin

2.1.1.3 Nhiễu do thành phần dung kháng

Các tụ điện có dung kháng thay đổi theo tần

số, điều này mang nhiều yếu tố bất lợi cho hệ thống cao

tần. Ví dụ tụ điện lý tưởng có Z = 1/ῳC. Tại tần số

100Mhz, dung kháng của tụ 10 pF là :

= 170 Ω

Người ta đã phân tích và tìm ra các loại tụ phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau.

Loại tụ phổ biến nhất sử dụng triệt nhiễu cao tần là tụ bypass nối VCC và GND thường

dùng tụ gốm, tụ aluminm, hay tụ tantalum

Ứng dụng Loại tụ Hình ảnh

Trung tần Tụ gốm, giá trị nhỏ 103 - 104

Cao tần Tụ Tantalum, giá trị nhỏ 104 - 106

Siêu cao tần Tụ Aluminum, giá trị lớn, 1 đến

100uF

Bảng 3. Bảng lựa chọn tụ Bypass

2.1.2 Nhiễu điện từ gây ra từ các thành phần ngoài mạch in

Các loại nhiễu này có thể kể đến là nhiễu do quá trình truyền dẫn, nhiễu đột ngột

từ nguồn, nhiễu do đường line chất lượng không đồng đều và nhiễu ngẫu nhiên từ trường

điện từ xung quanh

Loại nhiễu Minh họa

Nhiễu do

truyền dẫn

Nhiễu đột

ngột

Nhiễu do chất

lượng đường

line

2.2 Kỹ thuật triệt nhiễu

Báo cáo tập trung đến việc thiết kế và hoàn thiện hệ thống vi xử lý, vì vậy kỹ

thuật triệt nhiễu tập trung vào vấn đề tối ưu hóa board mạch in điều khiển nhúng.

2.2.1 Kỹ thuật ổn định tần số dao động

Thay thế mạch dao động RC cơ bản bằng dao động thạch anh, đảm bảo tính ổn

định và độ chính xác tần số. Ngoài ra việc bổ sung các thành phần linh kiện thụ động RC

làm mạch hồi tiếp âm cũng góp phần làm ổn định tần số dao động.

Các bộ dao động trước kia thường sử dụng là dao động RC. Tuy vẫn đảm bảo tần

số hoạt động nhưng mạch RC thường xuyên bị tác động ảnh hưởng nhiễu ngoài gây gián

đoạn xung clock.

Hình 15. Bộ dao động RC

Ngày nay, người ta dùng bộ dao động tần số thạch anh để thay thế trong các mạch vi xử

lý với các ưu điểm vượt trội như tần số dao động ổn định, dung sai bé, lớp vỏ bọc kim

loại giảm tác động nhiễu ngoài.

Hình 16. Dao động thạch anh

Với các ứng dụng yêu cầu độ dao động chính xác cao, người ta dùng các bộ

resonator kết hợp hồi tiếp âm để đảm bảo tính ổn định xung clock.

Hình 17. Dao động resonator

Điện trở 330k cung cấp hồi tiếp âm cho hệ thống. Biến trở 10k dùng để hiệu chỉnh

sao cho IC đệm đảo 74AS04 hoạt động trong vùng tuyến tính. Bộ dao động này còn có

thể cấp xung clock ổn định cho hẹ thống ngoài.

2.2.2 Kỹ thuật lựa chọn linh kiện

Việc sử dụng các linh kiện chân cắm là 1 trong những nguyên nhân nhạy nhiễu

cho các hệ thống cũ. Các chân cắm linh kiện đóng vai trò là các anten thu nhận nhiễu.

Các ứng dụng đảm bảo EMI luôn sử dụng tối ưu các linh kiện chân dán để giảm nhiễu

bức xạ không mong muốn.

Hình 18. Thay thế linh kiện chân cắm bằng chân dán

Tương tự, các dây dẫn nối mạch chân cắm với các linh kiện ngoài cũng phải được

tối ưu. Tiêu biểu là các bộ nhớ ngoài nên được tích hợp vào bên trong chip. Các loại chip

này đã được đảm bảo về EMI trước khi được phân phối.

Hình 19. Thay thế bộ nhớ ngoài bằng bộ nhớ trong

Việc sử dụng các IC thế hệ mới với khả năng giao tiếp đơn giản nhưng hiệu quả

cũng góp phần giảm nhiễu cho hệ thống. Các IC đời cũ thường sử dụng bus mode với các

xung giao tiếp rời rạc ngắt quãng, tiểu biểu là dòng 8051 cũ; trong khi các IC thế hệ mới

như PIC, MSP430 đã sử dụng PORT mode với xung đơn để giảm nhiễu.

Hình 20. Sử dụng PORT mode

2.2.3 Giảm VCC

Kỹ thuật này giúp giảm thiểu độ lớn của nhiễu tác động lên hệ thống. Các hệ

thống 5V được thay thế dần bằng 3.3V, trong các ứng dụng DSP, người ta đã sử dụng

VCC 2.8V hoặc 1.6V

Hình 21. Giảm VCC

2.2.4 Sử dụng linh kiện phụ trợ

Các điện trở damping đóng vai trò quan trọng trong việc triệt tiêu các xung nhiễu

trong mạch số. Các điện trở này có giá trị thấp à được mắc nối tiếp với đường tín hiệu

trong mạch để giảm thiểu các tác nhân sóng hồi tiếp không mong muốn.

Hình 22. Sử dụng điện trở damping

Việc sử dụng bộ lọc EMI trong các mạch nguồn đã trở nên rất thông dụng, tuy

nhiên, đôi khi người ta cũng sử dụng chúng trong các mạch tín hiệu. Mạch lọc này cấu

tạo từ cuộn cảm và tụ điện, giúp triệt tiêu các nhiễu chuyển mạch. Tùy thuộc vào đặc tính

của mạch điện mà người ta sử dụng các cấu trúc mạch EMI khác nhau.

Hình 23. Sử dụng mạch lọc EMI

Sử dụng các tụ de-coupling trong mạch để triệt tiêu xung nhiễu nguồn.

Hình 24. Sử dụng tụ Bypass

Tụ Bypass phải đặt gần VCC và GND hết sức có thể, đường mạch vừa đủ lớn để

cấp đủ dòng cho hệ thống. Tín hiệu nguồn phải qua tụ trước khi vào vi điều khiển. Trong

trường hợp yêu cầu cao hơn, các thiết kế phải tích hợp nhiều tụ song song với nhau để

đảm bảo EMC.

Ngoài ra, việc layout các tụ bypass cũng phải chú ý để giảm thiểu ảnh hưởng của

việc gia tăng trở kháng. Cụ thể được diễn tả qua hình ảnh sau đây

Hình 25. Ảnh hưởng lỗ via đến trở kháng

2.2.5 Kỹ thuật layout

Đây là 1 trong số những kỹ thuật khó khăn và đòi hỏi nhiều kinh nghiệm thực tế. Kỹ

thuật này đã được rút ra 1 số quy tắc như sau:

Định nghĩa chức năng cho các khối linh kiện: Các lnh kiện phải được phân thành

các lớp như: Analogue sensor, digital low speed, digital high speed, power

elements và sắp xếp chúng thành 1 nhóm. Tất cả các linh kiện cùng nhóm phải đặt

gần nhau và đường mạch in phải tối ưu hóa về độ dài. Khoảng cách linh kiện phù

hợp để có thể tích hợp tụ by pass.

Hình 26. Tối ưu hóa đường mạch

Các đường tín hiệu tốc độ cao đặt ở trung tâm mạch in, tránh xa các góc mạch in

Đặt các đường mạch công suất phải mang dòng lớn gần nhất có thể đầu ra mạch

ổn áp.

Hạn chế các lỗ via trong mạch, lí do là việc thay đổi lớp layout đồng thời thay đổi

điện trở của line, đồng thời tăng hiệu ứng phản xạ tín hiệu.

Đặt các cổng mở rộng I/O cách xa thạch anh và các khu vực hoạt động tần số cao.

Đặt các đường mạch GND và VCC đối xứng nhau qua 2 bên PCB để giảm nhiễu

điện từ trường phát sinh

Hình 27. Phân bố VCC và GND hợp lý

Thực hiện các đường via đảm bảo đường đi hợp lý cho tín hiệu

2.2.6 Thay thế các chuẩn giao tiếp

Để thực hiện giảm nhiễu EMI, các phương pháp Thay thế các giao tiếp song song

thành giao tiếp nối tiếp

Chương 3.Thiết kế board mạch in đảm bảo tính tương thích điện từ

3.1 Sơ đồ khối hệ thống

Cấu trúc board mạch phát và board mạch thu hoàn toàn như nhau, truyền thông tin

bằng tín hiệu RF. Để đảm bảo tính tương thích điện từ, board mạch in phải được thiết kế

với mức công suất phát rất thấp nhưng vẫn phải bảo đảm tốc độ dữ liệu và khoảng cách

truyền dẫn. Cụ thể các yêu cầu board phải đáp ứng như sau:

- Nguồn tín hiệu 3.3V sử dụng nguồn xung

- Mức năng lượng tiêu hao tương được 1 thiết bị cổng USB trong khoảng 1 đến

315 mW (0 đến 25 dBm), dòng cấp TX khoảng 85 đến 500mA.

- Khoảng cách truyền dẫn với anten mini trong khoảng 1km và với anten mở rộng

trong khoảng 20 đến 40km

- Ngoài ra, để đảm bảo tính bảo mật, board mạch phải đáp ứng tiêu chuẩn mã hóa

128 bit bảo mật.

- Tần số hoạt động 868 Mhz SRD theo chuẩn ISO 9001: 2000.

Board

mạch phát

Board

mạch thu

3.2 Thiết kế board mạch in

Vật liệu RF PCB Đảm bảo tần

số cao board

mạch vẫn hoạt

động tốt

Linh kiện SMD Giảm kích

thước mạch in

và chống

nhiễu tốt hơn

Giao tiếp PC Nối tiếp Hệ thống được

cải tiến từ

cổng COM

sang cổng

USB nhiều ưu

điểm hơn.

Giao tiếp RF Zigbee

VCC Ổn áp xung – Nguồn xung 3.3V

Lọc bằng tụ và cuộn dây trị số

cao.

Ngoại vi Kết nối nối

tiếp

Dao động Thạch anh

Giảm nhiễu

dung kháng

Thiết kế theo TCVN 6611-12-

2000 về mạch in: độ rộng 2

đường mạch tối thiểu 8 mil để

đảm bảo triệt nhiễu xuyên kênh

Đường tín

hiệu hồi tiếp

Tụ by-pass Được sử dụng chống nhiễu cho

tất cả các IC trên board

Trở Damping

Mạch lọc

EMI

Chương 4. Chạy thử và đánh giá hệ thống

4.1 Chạy thử hệ thống

- Thiết lập đồng bộ tốc độ truyền nhận dữ liệu cho cả 2 bên phát và nhận

- Thiết lập công suất truyền dẫn

- Thiết lập mạng giao tiếp

- Range test