Qu'est-ce que la diaphonie de PCB ?
La diaphonie de PCB est un phénomène de bruit de tension causé par un couplage inductif ou capacitif entre deux lignes de signal.
Types de diaphonie
Selon différentes sources, il existe trois types de diaphonie sur le PCB : le couplage inductif, le couplage capacitif et le couplage par résistance commune.
couplage inductif
Le couplage inductif est un processus de transfert d’énergie entre deux objets par le biais d’une boucle inductive. Il s’agit d’un type de couplage électromagnétique, où une boucle de fil induit un courant électrique dans une autre boucle de fil. Ce type de couplage est couramment utilisé dans les transformateurs électriques, où les enroulements primaire et secondaire sont couplés inductivement.
couplage capacitif
Le couplage capacitif est le transfert d’énergie entre deux conducteurs électriques à travers un champ électrique intermédiaire. Ce type de couplage est utilisé dans de nombreux circuits électroniques, tels que les capteurs, les filtres et les oscillateurs. Il est également utilisé pour coupler les signaux d’un circuit à un autre.
couplage d'impédance commune
Le couplage d’impédance commune est un type de connexion de circuit électrique dans lequel deux circuits sont connectés ensemble par une seule résistance. Ce type de connexion réduit la quantité de bruit dans un circuit en garantissant que les signaux dans les deux circuits restent au même niveau et ne s’interfèrent pas mutuellement.
Comment se produit la diaphonie ?
La diaphonie peut être causée par les paramètres de la couche de la carte PCB, l’espacement des lignes de signal, les caractéristiques électriques des extrémités d’attaque et de réception, et la méthode de terminaison des fils.
Couplage inductif et capacitif
Dans les circuits numériques, le couplage inductif est plus courant que le couplage capacitif en raison de la faible impédance des pilotes numériques. Le couplage capacitif est plus courant dans les circuits à haute impédance (généralement analogiques).
Supposons deux lignes microstrip avec une distance d’axe à axe d, comme indiqué dans la figure ci-dessous.
Au fur et à mesure que le signal se propage le long de la ligne de transmission, des lignes de champ électrique et magnétique commencent à apparaître autour de la ligne microstrip.
Cependant, ces lignes de champ électrique et magnétique ne se trouvent pas seulement dans le signal et sa boucle associée, mais s’étendent dans la zone environnante. Comme indiqué ci-dessous.
Le champ électrique émanant de la ligne de transmission se termine avec toute structure métallique adjacente ; le champ magnétique autour de la ligne de transmission entoure également partiellement toute structure métallique adjacente.
Que se passe-t-il si la structure métallique adjacente est une ligne de transmission de signal ?
Alors la ligne de transmission générera un courant et une tension correspondants en raison du champ électromagnétique reçu généré par la ligne microstrip perturbatrice.
Évidemment, si la séparation entre deux lignes de transmission est augmentée, le champ reçu par la ligne de transmission de signal diminuera rapidement.
Cependant, si elles sont suffisamment proches, les lignes de transmission de signal adjacentes capteront les courants d’interférence résultants. Et ces courants d’interférence, comme les courants de signal d’origine sur la ligne de transmission, subiront également des réflexions, des distorsions et des rayonnements.
modèle de diaphonie
Le couplage capacitif et le couplage inductif, ainsi que leurs effets respectifs sur la diaphonie, dépendent largement de la disposition du circuit. Comme indiqué dans la figure ci-dessous, il s’agit d’un modèle simplifié de diaphonie, comprenant le couplage capacitif et inductif entre les lignes de transmission sur le PCB.
CG, qui existe entre la ligne microstrip et le plan de référence, affecte l’impédance caractéristique et le délai de propagation du signal de la ligne microstrip.
CM, existant entre les lignes microstrip, est un couplage capacitif.
LA et LV représentent l’auto-inductance des lignes microstrip perturbatrices et perturbées, respectivement, ce qui affectera l’impédance caractéristique et le délai de propagation du signal de la ligne microstrip.
LM, qui représente l’inductance mutuelle LM entre les deux lignes microstrip, provoque un couplage inductif entre les deux circuits.
Calcul de l'inductance de couplage
Dans les lignes microstrip électriquement petites, le couplage capacitif apparaît comme une source de courant en parallèle avec la ligne victime, et le couplage inductif apparaît comme une source de tension en série avec la ligne victime. La relation spécifique est indiquée dans la formule suivante :
où IC et VL sont respectivement le courant induit capacitivement et la tension induite inductivement dans la ligne microstrip perturbée, qui sont causés par les changements de la tension source VS et du courant IS dans la ligne microstrip perturbatrice.
diaphonie inverse et diaphonie directe
Le couplage capacitif, le courant d’induction capacitif généré sur la ligne microstrip perturbée se propage aux deux extrémités, c’est-à-dire vers l’avant, vers l’ICF lointain, et vers l’arrière, vers l’ICN proche.
Le couplage inductif, la tension induite inductive générée sur la ligne microstrip perturbée, génère un courant (ILF, ILN) sur la ligne microstrip perturbée, et sa direction est opposée à IS.
Par conséquent, lorsque les signaux de couplage capacitif et inductif se propagent vers l’arrière, les courants se superposent et le couplage est renforcé ; lorsqu’ils se propagent vers l’avant, le courant tend à s’annuler.
Le signal couplé total circulant vers l’arrière est appelé « diaphonie inverse » ou « diaphonie proche » (NEXT), tandis que le signal couplé total circulant vers l’avant (s’annulant en réalité) est appelé « diaphonie directe » ou « diaphonie lointaine » (FEXT).
couplage d'impédance commune
Le troisième type de diaphonie dans les pistes de PCB est le couplage d’impédance commune. Il se produit généralement lorsque deux conducteurs passent par la même piste de retour. Par exemple, un circuit numérique et un circuit analogique entraîneront un couplage d’impédance commune s’ils sont connectés à la même extrémité.
Modèle de reflux pour les signaux haute fréquence
La majeure partie du flux de retour des signaux haute fréquence existe sur le plan de référence sous la ligne microstrip, mais une petite partie se propagera vers les deux côtés. Sa densité de reflux sur le plan de référence peut être exprimée par la formule suivante :
Comme le montre la figure ci-dessus, JGP(d)A et JGP(d)V sont les distributions de densité de courant de la ligne microstrip perturbatrice et de la ligne microstrip perturbée, respectivement. La partie où les deux se chevauchent, c’est-à-dire la partie grise sur la figure ci-dessus, est la « zone d’influence », qui détermine le degré d’influence entre les deux lignes microstrip.
