O que é interferência entre placas de circuito impresso (PCB)?
A interferência entre placas de circuito impresso (PCB) é um fenômeno de ruído de tensão causado pelo acoplamento indutivo ou capacitivo entre duas linhas de sinal.
Tipos de Crosstalk
De acordo com diferentes fontes, existem três tipos diferentes de interferência na placa de circuito impresso: acoplamento indutivo, acoplamento capacitivo e acoplamento de resistência comum.
acoplamento indutivo
O acoplamento indutivo é um processo de transferência de energia entre dois objetos através de um circuito indutivo. É um tipo de acoplamento eletromagnético, em que um circuito induz uma corrente elétrica em outro circuito. Esse tipo de acoplamento é comumente usado em transformadores elétricos, onde os enrolamentos primário e secundário são acoplados indutivamente.
acoplamento capacitivo
O acoplamento capacitivo é a transferência de energia entre dois condutores elétricos através de um campo elétrico intermediário. Esse tipo de acoplamento é usado em muitos circuitos eletrônicos, como sensores, filtros e osciladores. Também é usado para acoplar sinais de um circuito a outro.
acoplamento de impedância comum
O acoplamento de impedância comum é um tipo de conexão de circuito elétrico em que dois circuitos são conectados entre si por um único resistor. Esse tipo de conexão reduz a quantidade de ruído em um circuito, garantindo que os sinais em ambos os circuitos permaneçam no mesmo nível e não interfiram entre si.
Como ocorre a interferência?
A interferência pode ser causada pelos parâmetros da camada da placa PCB, pelo espaçamento da linha de sinal, pelas características elétricas das extremidades de transmissão e recepção e pelo método de terminação do fio.
Acoplamento indutivo e capacitivo
Nos circuitos digitais, o acoplamento indutivo é mais comum do que o acoplamento capacitivo devido à natureza de baixa impedância dos drivers digitais. O acoplamento capacitivo é mais comum em circuitos de alta impedância (geralmente analógicos).
Suponha duas linhas microstrip com uma distância centro a centro d, conforme mostrado na figura abaixo.
À medida que o sinal se propaga ao longo da linha de transmissão, linhas de campo elétrico e magnético começam a aparecer ao redor da linha microstrip.
No entanto, essas linhas de campo elétrico e magnético não estão apenas no sinal e no loop associado, mas se estendem para a área circundante. Conforme mostrado abaixo.
O campo elétrico que emana da linha de transmissão termina em qualquer estrutura metálica adjacente; o campo magnético ao redor da linha de transmissão também envolve parcialmente qualquer estrutura metálica adjacente.
E se a estrutura metálica adjacente for uma linha de transmissão de sinal?
Nesse caso, a linha de transmissão irá gerar corrente e tensão correspondentes devido ao campo eletromagnético recebido, gerado pela linha microstrip perturbadora.
Obviamente, se a separação entre duas linhas de transmissão for aumentada, o campo recebido pela linha de transmissão de sinal cairá rapidamente.
No entanto, se estiverem próximas o suficiente, as linhas de transmissão de sinal adjacentes captarão as correntes de interferência resultantes. E essas correntes de interferência, assim como as correntes de sinal originais na linha de transmissão, também sofrerão reflexão, distorção e radiação.
modelo de interferência
O acoplamento capacitivo e o acoplamento indutivo, e seus respectivos efeitos na diafonia, dependem em grande parte do layout do circuito. Conforme mostrado na figura abaixo, trata-se de um modelo simplificado de diafonia, incluindo acoplamento capacitivo e indutivo entre linhas de transmissão na placa de circuito impresso (PCB).
CG, que existe entre a linha microstrip e o plano de referência, afeta a impedância característica e o atraso de propagação do sinal da linha microstrip.
CM, existente entre as linhas microstrip, é o acoplamento capacitivo.
LA e LV representam a autoindutância das linhas microstrip perturbadoras e perturbadas, respectivamente, que afetarão a impedância característica e o atraso de propagação do sinal da linha microstrip.
LM, que significa a indutância mútua LM entre as duas linhas microstrip, causa acoplamento indutivo entre os dois circuitos.
Cálculo da indutância de acoplamento
Em linhas microstrip eletricamente pequenas, o acoplamento capacitivo aparece como uma fonte de corrente em paralelo com a linha afetada, e o acoplamento indutivo aparece como uma fonte de tensão em série com a linha afetada. A relação específica é mostrada na seguinte fórmula:
onde IC e VL são a corrente induzida capacitivamente e a tensão induzida indutivamente na linha microstrip perturbada, respectivamente, que são causadas por alterações na tensão VS e na corrente IS da linha microstrip perturbadora.
diafonia reversa e diafonia direta
Acoplamento capacitivo: a corrente de indução capacitiva gerada na linha microstrip perturbada propagar-se-á para ambas as extremidades, ou seja, propagar-se-á para a frente, em direção ao ICF distante, e propagar-se-á para trás, em direção ao ICN próximo.
Acoplamento indutivo: a tensão induzida indutivamente gerada na linha microstrip perturbada gera uma corrente (ILF, ILN) na linha microstrip perturbada, e sua direção é oposta à IS.
Portanto, quando os sinais de acoplamento capacitivo e acoplamento indutivo se propagam para trás, as correntes se sobrepõem e o acoplamento é reforçado; quando se propagam para a frente, a corrente tende a se cancelar.
O sinal acoplado total que flui para trás é chamado de "crosstalk reverso" ou "crosstalk de extremidade próxima" (NEXT), enquanto o sinal acoplado total que flui para a frente (na verdade cancelando) é chamado de "crosstalk para a frente" ou "crosstalk de extremidade distante" (FEXT).
acoplamento de impedância comum
O terceiro tipo de interferência nos traços de PCB é o acoplamento de impedância comum. Ele ocorre geralmente quando dois condutores passam pelo mesmo traço de retorno. Por exemplo, um circuito digital e um circuito analógico levarão ao acoplamento de impedância comum, se estiverem conectados na mesma extremidade.
Modelo de refluxo para sinais de alta frequência
A maior parte do fluxo de retorno dos sinais de alta frequência existe no plano de referência abaixo da linha microstrip, mas uma pequena parte se espalha para ambos os lados. Sua densidade de refluxo no plano de referência pode ser expressa pela seguinte fórmula:
Conforme mostrado na figura acima, JGP(d)A e JGP(d)V são as distribuições de densidade de corrente da linha microstrip perturbadora e da linha microstrip perturbada, respectivamente. A parte onde as duas se sobrepõem, ou seja, a parte cinza na figura acima, é a "área de influência", que determina o grau de influência entre as duas linhas microstrip.
