¿Qué es la diafonía PCB?
La diafonía en PCB es un fenómeno de ruido de tensión causado por el acoplamiento inductivo o capacitivo entre dos líneas de señal.
Tipos de diafonía
Según diferentes fuentes, existen tres tipos diferentes de diafonía en la PCB: acoplamiento inductivo, acoplamiento capacitivo y acoplamiento de resistencia común.
acoplamiento inductivo
El acoplamiento inductivo es un proceso de transferencia de energía entre dos objetos a través de un bucle inductivo. Es un tipo de acoplamiento electromagnético, en el que un bucle de cable induce una corriente eléctrica en otro bucle de cable. Este tipo de acoplamiento se utiliza habitualmente en transformadores eléctricos, donde los devanados primario y secundario están acoplados inductivamente.
acoplamiento capacitivo
El acoplamiento capacitivo es la transferencia de energía entre dos conductores eléctricos a través de un campo eléctrico intermedio. Este tipo de acoplamiento se utiliza en muchos circuitos electrónicos, como sensores, filtros y osciladores. También se utiliza para acoplar señales de un circuito a otro.
acoplamiento de impedancia común
El acoplamiento de impedancia común es un tipo de conexión de circuitos eléctricos en la que dos circuitos se conectan entre sí mediante una sola resistencia. Este tipo de conexión reduce la cantidad de ruido en un circuito al garantizar que las señales de ambos circuitos se mantengan al mismo nivel y no interfieran entre sí.
¿Cómo se produce la diafonía?
La diafonía puede deberse a los parámetros de la capa de la placa PCB, el espaciado entre líneas de señal, las características eléctricas de los extremos de transmisión y recepción, y el método de terminación de los cables.
Acoplamiento inductivo y capacitivo
En los circuitos digitales, el acoplamiento inductivo es más común que el acoplamiento capacitivo debido a la baja impedancia de los controladores digitales. El acoplamiento capacitivo es más común en circuitos de alta impedancia (normalmente analógicos).
Supongamos dos líneas microstrip con una distancia entre centros d, como se muestra en la figura siguiente.
A medida que la señal se propaga a lo largo de la línea de transmisión, comienzan a aparecer líneas de campo eléctrico y magnético alrededor de la línea microstrip.
Sin embargo, estas líneas de campo eléctrico y magnético no se encuentran solo en la señal y su bucle asociado, sino que se extienden al área circundante. Como se muestra a continuación.
El campo eléctrico que emana de la línea de transmisión termina en cualquier estructura metálica adyacente; el campo magnético alrededor de la línea de transmisión también rodea parcialmente cualquier estructura metálica adyacente.
¿Qué ocurre si la estructura metálica adyacente resulta ser una línea de transmisión de señales?
Entonces, la línea de transmisión generará la corriente y el voltaje correspondientes debido al campo electromagnético recibido generado por la línea microstrip perturbadora.
Obviamente, si se aumenta la separación entre dos líneas de transmisión, el campo recibido por la línea de transmisión de señales disminuirá rápidamente.
Sin embargo, si están lo suficientemente cerca, las líneas de transmisión de señales adyacentes captarán las corrientes de interferencia resultantes. Y estas corrientes de interferencia, al igual que las corrientes de señal originales en la línea de transmisión, también experimentarán reflexión, distorsión y radiación.
modelo de diafonía
El acoplamiento capacitivo y el acoplamiento inductivo, así como sus respectivos efectos sobre la diafonía, dependen en gran medida del diseño del circuito. Como se muestra en la siguiente figura, se trata de un modelo simplificado de diafonía, que incluye el acoplamiento capacitivo e inductivo entre las líneas de transmisión en la placa de circuito impreso.
La CG, que existe entre la línea microstrip y el plano de referencia, afecta a la impedancia característica y al retardo de propagación de la señal de la línea microstrip.
CM, que existe entre líneas microstrip, es un acoplamiento capacitivo.
LA y LV representan la autoinductancia de las líneas microstrip perturbadoras y perturbadas, respectivamente, lo que afectará a la impedancia característica y al retardo de propagación de la señal de la línea microstrip.
LM, que representa la inductancia mutua LM entre las dos líneas microstrip, provoca un acoplamiento inductivo entre los dos circuitos.
Cálculo de la inductancia de acoplamiento
En líneas microstrip eléctricamente pequeñas, el acoplamiento capacitivo aparece como una fuente de corriente en paralelo con la línea afectada, y el acoplamiento inductivo aparece como una fuente de tensión en serie con la línea afectada. La relación específica se muestra en la siguiente fórmula:
donde IC y VL son la corriente inducida capacitivamente y la tensión inducida inductivamente en la línea microstrip perturbada, respectivamente, que son causadas por cambios en la tensión de fuente VS y la corriente IS en la línea microstrip perturbadora.
diafonía inversa y diafonía directa
Acoplamiento capacitivo: la corriente de inducción capacitiva generada en la línea microstrip perturbada se propagará hacia ambos extremos, es decir, se propagará hacia adelante, hacia el ICF del extremo lejano, y se propagará hacia atrás, hacia el ICN del extremo cercano.
Acoplamiento inductivo: la tensión inducida inductivamente generada en la línea microstrip perturbada genera una corriente (ILF, ILN) en la línea microstrip perturbada, y su dirección es opuesta a IS.
Por lo tanto, cuando las señales de acoplamiento capacitivo y acoplamiento inductivo se propagan hacia atrás, las corrientes se superponen y el acoplamiento se mejora; cuando se propagan hacia adelante, la corriente tiende a cancelarse.
La señal acoplada total que fluye hacia atrás se denomina «diafonía inversa» o «diafonía de extremo cercano» (NEXT), mientras que la señal acoplada total que fluye hacia adelante (en realidad, cancelándose) se denomina «diafonía hacia adelante» o «diafonía de extremo lejano» (FEXT).
acoplamiento de impedancia común
El tercer tipo de diafonía en las trazas de PCB es el acoplamiento de impedancia común. Suele producirse cuando dos conductores pasan por la misma traza de retorno. Por ejemplo, un circuito digital y un circuito analógico provocarán el acoplamiento de impedancia común si están conectados en el mismo extremo.
Modelo de reflujo para señales de alta frecuencia
La mayor parte del flujo de retorno de las señales de alta frecuencia existe en el plano de referencia debajo de la línea microstrip, pero una pequeña parte se extenderá a ambos lados. Su densidad de reflujo en el plano de referencia se puede expresar mediante la siguiente fórmula:
Como se muestra en la figura anterior, JGP(d)A y JGP(d)V son las distribuciones de densidad de corriente de la línea microstrip perturbadora y la línea microstrip perturbada, respectivamente. La parte en la que ambas se superponen, es decir, la parte gris de la figura anterior, es el «área de influencia», que determina el grado de influencia entre las dos líneas microstrip.
