Nhiễu và tương thích trường điện từ chuong 4 Các hiệu ứng của các phần tử không lý tưởng

3I-HUST
2012
Nhiễu và tương thích trường điện từ
Chương 4: Phần tử không lý tưởng


I. Đường truyền dẫn không lý tưởng
II. Các phần tử thụ động (passive element)
III. Vật liệu sắt từ
IV. Các vi mạch số
1

3I-HUST
2012
Chương 4: Phần tử không lý tưởng
I. Đường truyền dẫn không lý tưởng
 Đường truyền dẫn là một trong những thành phần quan trọng
nhất trong hệ thống truyền dẫn thông tin.
 Mô hình tính toán đường truyền dẫn
 Mô hình phân bố rải (đường dây dài)
 Mô hình mạch tập trung
2

L
10
 Thành phần, thông số đường truyền dẫn sẽ thay đổi khi truyền
dẫn ở những tần số cao (> 150kHz)
 Giá trị điện cảm L của dây trong hệ thống số
 Điện trở của dây: Quyết định do kích thước thiết kế (độ rộng, cách
đi dây …) của dây truyền dẫn  giảm tối đa sự suy hao trên tín

hiệu đường truyền dẫn.

3I-HUST
2012
 Ở tần số thấp:
3
Chương 4: Phần tử không lý tưởng
I. Đường truyền dẫn không lý tưởng
I.1 Điện trở và điện cảm trong của dây dẫn


DC
w
L
R
r
2
 Ở tần số cao: Xảy ra hiệu ứng bề mặt
(điện tích dịch chuyển trên bề mặt của
dây dẫn)


dc
w
r
r
2
1

  


f
0
1
f δ
60Hz 8,5mm
1kHz 2,09mm
100kHz 0,21mm
1MHz 2,6 mils
100MHz

0,26 mils
1GHz 0,0823 mils
 

  
   





w
r
w
ww
R
r
rr
2

2
11
2
 

 

w
dc
w
r
R R = f m
r
0
1
/
22

3I-HUST
2012
 Giá trị điện cảm trong (internal inductance) của dây truyền dẫn phụ
thuộc vào tần số của tín hiệu
4
Chương 4: Phần tử không lý tưởng
I. Đường truyền dẫn không lý tưởng
I.1 Điện trở và điện cảm trong của dây truyền dẫn
 





i DC
L =0,5.10 H m
7
0
,
/
8
 Ở tần số thấp:
 Ở tần số cao:



 
 
i HF i DC w
ww
L L = for r
rr
f
0
,,
2 1 1
4

3I-HUST
2012
5
Chương 4: Phần tử không lý tưởng
I. Đường truyền dẫn không lý tưởng

I.2 Điện cảm ngoài và điện dung của dây truyền dẫn
 Với các đường truyền song song: Từ trường giữa 2 dây sẽ ảnh
hưởng lẫn nhau (hỗ cảm)








  





w
m
e
w
w
s
in H m
r
s
L
L I r
s
in nH in

r
0
0,4 ln ( / )
ln
.
10,16 ln ( / .)
 


loop i e
L L L L H nH2 [ , ]
 Coi khoảng cách 2 dây đủ lớn so với kích thước của dây (s/r
w
> 5)
 Tổng giá trị điện cảm của dây:

3I-HUST
2012
6
Chương 4: Phần tử không lý tưởng
I. Đường truyền dẫn không lý tưởng
I.2 Điện cảm ngoài và điện dung của dây truyền dẫn
 Giá trị điện dung giữa 2 dây phụ thuộc vào quan hệ giữa khoảng
cách 2 dây s, và kích thước của dây truyền dẫn r
w




  







w
w
w
in pF m
s
r
Q
C
LV
s
in pF in
r
s
r
0
27,78
( / )
ln
. 0,706
( / .)
ln
ln
 Coi khoảng cách 2 dây đủ lớn so với kích thước của dây (s/r
w

> 5)

3I-HUST
2012
7
Chương 4: Phần tử không lý tưởng
I. Đường truyền dẫn không lý tưởng
I.2 Điện cảm ngoài và điện dung của dây truyền dẫn
Ex 4.1: Xác định giá trị điện trở, điện cảm và điện dung của dây truyền tin
làm việc ở tần số 200MHz, có độ dài 2 inches, tạo bởi 20 sợi đồng. Biết: độ
dẫn điện của đồng σ
Cu
= 5,8.10
7
S/m, khoảng cách giữa 2 dây là 0,25 in.

  



  
m
mils
f
6
8 7 7
0
4,67.10
11
0,184

.2.10 .4 .10 5,8.10
 Hiệu ứng bề mặt:
 Dây cấu tạo bởi 20 sợi đồng sẽ có kích thước tương đương với dây 1
sợi có kích thước r
w
= 16 mils >> δ (xem Bảng 5.2, trang 302)


 



  

w
m
Rf
r m in
7
8
0
57
1,44 /
1 1 4 .10
2.10
2 2.16.2,54.10 .5,8.10 36,7 / .

  
  
HF

i HF
w
nH m
R
L
r f pH in
f
0
,
1,15 /
11
4 2 29,2 / .
   
hf
R R L m. 73,4

3I-HUST
2012
8
Chương 4: Phần tử không lý tưởng
I. Đường truyền dẫn không lý tưởng
I.2 Điện cảm ngoài và điện dung của dây truyền dẫn







e

w
s
L = nH in
r
3
0,25.10
10,16 ln 10,16 ln 27,93( / .)
16
 Giá trị điện cảm ngoài của dây truyền dẫn:
     
   
   


in
w
C pF in C pF
s
r
2.
3
0,706 0,706
0,257( / .) 0,257.2 0,514
0,25.10
ln
ln
16
Ex 4.1: Xác định giá trị điện trở, điện cảm và điện dung của dây truyền tin
làm việc ở tần số 200MHz, có độ dài 2 inches, tạo bởi 20 sợi đồng. Biết: độ
dẫn điện của đồng σ

Cu
= 5,8.10
7
S/m, khoảng cách giữa 2 dây là 0,25 in.
 Tổng giá trị điện cảm của dây truyền dẫn:
 
  
in i e
L L L L nH
2.
2 55,98 .
 Giá điện dung của dây truyền dẫn:

3I-HUST
2012
9
Chương 4: Phần tử không lý tưởng
I. Đường truyền dẫn không lý tưởng
I.2 Điện cảm ngoài và điện dung của dây truyền dẫn
Ex 4.2: Xác định giá trị điện trở, điện cảm và điện dung của dây truyền tin
làm việc ở tần số 10MHz, có độ dài 5 in., tạo bởi 28 sợi đồng. Biết: độ dẫn
điện của đồng σ
Cu
= 5,8.10
7
S/m, khoảng cách giữa 2 dây là 50 in.

3I-HUST
2012
10

Chương 4: Phần tử không lý tưởng
I. Đường truyền dẫn không lý tưởng
I.3 Mô hình thông số tập trung của dây truyền dẫn song song
 Xét 1 dây truyền dẫn song song: chiều dài L, và cách nhau một đoạn s
 Các thông số của đường truyền dẫn song song khi xét ở tần số cao:
 Điện trở đường dây truyền dẫn:
 

 

w
dc
w
r
R R = f m
r
0
1
/
22
 Điện cảm trong, ngoài:
 


loop i e
L L L L H nH2 [ , ]
 Điện dung của dây truyền dẫn:





w
Q
C
LV
s
r
0
.
ln

3I-HUST
2012
11
Chương 4: Phần tử không lý tưởng
I. Đường truyền dẫn không lý tưởng
I.3 Mô hình thông số tập trung của dây truyền dẫn song song
 Mô hình phân tích cho đường truyền dẫn song song (L, s)
 Nếu L << λ: Mô tả đường dây truyền dẫn song song theo mô hình
mạch thông số tập trung
 Nếu L > λ: Mô tả đường dây truyền dẫn song song theo mô hình
mạch thông số rải
Sơ đồ hình Γ-ngược Sơ đồ hình Π
Sơ đồ hình Γ Sơ đồ hình T

3I-HUST
2012
12
Chương 4: Phần tử không lý tưởng
I. Đường truyền dẫn không lý tưởng

I.3 Mô hình thông số tập trung của dây truyền dẫn song song
 Chú ý:
 Trong các mô hình thông số tập trung, giá trị điện cảm trong L
i

thường nhỏ hơn nhiều so với giá trị điện cảm ngoài L
e
 có thể bỏ
qua L
i
trong các mô hình.






    


m
e Le e e
w
s
L X L fl L
L I r
0
ln 2
.



 
  
i HF Li i
w
L X f l L
r
f
0
,
11
2
4
Giá trị điện kháng
ngoài tăng tỉ lệ với
tần số tín hiệu f
Giá trị điện kháng
trong tăng tỉ lệ với
f
Ví dụ 4.3: Mô hình truyền dẫn song song sử dụng dây cáp đồng, lõi 20 sợi,
đặt cách nhau 50mils có giá trị điện cảm trong L
i,dc
= 0,05μH/m, và giá trị
điện cảm ngoài L
e
= 0,456μH/m. Khi xét ở tần số cao (tại đó r
w
> 2δ), L
e

không đổi, trong khi đó L
i
giảm tỉ lệ với .

f

3I-HUST
2012
13
Chương 4: Phần tử không lý tưởng
I. Đường truyền dẫn không lý tưởng
I.3 Mô hình thông số tập trung của dây truyền dẫn song song
 Chú ý:
 Việc lựa chọn mô hình thông số tập trung phù hợp sẽ cho phép tăng
độ chính xác khi tính toán và mô hình hóa đường truyền.


  


e
C
w
L
s
Z
cr
120 ln
 Nếu Z
L

<< Z
C
 sử dụng sơ đồ hình T, Γ

 Nếu Z
L
>> Z
C
 sử dụng sơ đồ hình Π, Γ-ngược


3I-HUST
2012
14
Chương 4: Phần tử không lý tưởng
I. Đường truyền dẫn không lý tưởng
I.4. Đường truyền mạch in
 Đặc điểm đường truyền:
 Tiết diện ngang: hình chữ nhật
 Khắc mạch trên nhựa epoxy (ε
r
= 4,7), độ dày 47 – 62mils
 Độ dày lớp đồng: 1,38mils (2,76mils)
DC
 Ở tần số thấp:

  
lf DC
R R in m
wt

1
( / )
 Ở tần số cao: Xảy ra hiệu ứng bề mặt
 Điện trở
   
  
hf
R in m
w+2 t) w+t
11
( / )
(2 2 ( )

 

wt t
for w t
wt
1
2 ( ) 2
 Điện cảm, điện dung: Được tính theo các công thức trong chương 3

    
C
e
Ce
C
r
Z
Lv

Z v L C
C v vZ
0
'
1
( ) ; ; ;

3I-HUST
2012
15
Chương 4: Phần tử không lý tưởng
Ex 4.4: Xác định giá trị điện trở, điện cảm và điện
dung của đường truyền mạch in làm việc ở tần số
100MHz, biết kích thước vật lý mạch in: Độ dài
mạch in 5 in., s = 15mils, w = 15mils, h = 62 mils, t =
1,38 mils, ε
r
= 4,7, σ
Cu
= 5,8.10
7
S/m.
 





hf
R

w+t
2
7 5 5
11
.5.2,54.10
1,38
2 ( )
2.5,8.10 . .2,54.10 . 15 1,38 .2,54.10
2
 Điện trở của đường truyền mạch in:
 Điện cảm, điện dung:

hf
Rm150


  
s
k = < =0,7
sw
kk
2
11
23
2
' 1 0,943




























r
C
r
k
k
k
Z

k
k
k
'
'
120 1 1
ln 2 1
12
377 1
0
2
1'
ln 2
1'
I. Đường truyền dẫn không lý tưởng
I.4. Đường truyền mạch in

3I-HUST
2012
16
Chương 4: Phần tử không lý tưởng
Ex 4.4: Xác định giá trị điện trở, điện cảm và điện
dung của đường truyền mạch in làm việc ở tần số
100MHz, biết kích thước vật lý mạch in: Độ dài
mạch in 5 in., s = 15mils, w = 15mils, h = 62 mils, t =
1,38 mils, ε
r
= 4,7, σ
Cu
= 5,8.10

7
S/m.
 Điện cảm, điện dung:

  
   
Cr
C
Z
Z
L nH
vv
'
2 2 2
8
0
.
157,036. 2.358
.5.2,54.10 .5.2,54.10 .5.2,54.10 102
3.10


C
L
C pF
Z
2
2
.5.2,54.10 4,893



  






C
r
Z
k
k
'
377
157,036
1'
ln 2
1'
  







      








r
rr
h kw
kk
wh
'
1
tanh 0,775ln 1,75 0,04 0,7 0,01 1 0,1 0,25
2


r
'
2.358
I. Đường truyền dẫn không lý tưởng
I.4. Đường truyền mạch in

3I-HUST
2012
17
Chương 4: Phần tử không lý tưởng
II. Các phần tử thụ động (passive element)
II.1. Chân cắm linh kiện
 Các linh kiện mạch (R, L, C, …) được nối với mạch điện bằng các đầu
nối (leads).

 Dạng đầu nối:
 Linh kiện thông thường: Các đoạn vật dẫn (discrete lead
attachement)
 Linh kiện dán (surface mount technology - SMT): Điểm nối dạng
hình chữ nhật
 Ở tần số cao, tại các đầu nối của linh
kiện, đều tồn tại các hiệu ứng gây ảnh
hưởng đến tính tuyến tính của linh
kiện

3I-HUST
2012
18
Chương 4: Phần tử không lý tưởng
 Mô hình thông số tập trung đối với hiệu ứng cảm
kháng và dung kháng trên đầu nối linh kiện
Ví dụ 4.5: Xét linh kiện mạch có kích thước chân
cắm dạng trụ tròn r
w
= 16mils, chiều dài 0,5 in.,
khoảng cách 0,25 in.
 Giá trị điện kháng ký sinh của đầu chân cắm:




e
w
s
L 14nH

r
10,16 ln .0,5
 Giá trị điện dung của đầu chân cắm:



w
C pF
s
r
0,706
0,5 0,128
ln
Mô hình thông số tập trung
cho hiệu ứng cảm kháng
Mô hình thông số tập trung
cho hiệu ứng dung kháng
II. Các phần tử thụ động (passive element)
II.1. Chân cắm linh kiện

3I-HUST
2012
19
Chương 4: Phần tử không lý tưởng
 Mô hình thông số nào (phân bố rải, tập trung) cho phép mô tả cả 2 hiệu
ứng dung kháng + cảm kháng của các chân cắm linh kiện?
 Hiệu ứng dung kháng + cảm kháng của các chân cắm linh kiện
được mô tả bằng mô hình mạch thông số rải.
 02 hiệu ứng xảy ra trên toàn bộ chiều dài của chân cắm linh kiện
 Ở tần số cao:

Mô hình Π
Mô hình T
Mô hình Γ ngược
Mô hình Γ
II. Các phần tử thụ động (passive element)
II.1. Chân cắm linh kiện

3I-HUST
2012
20
Chương 4: Phần tử không lý tưởng
II. Các phần tử thụ động (passive element)
II.2. Điện trở
 Điện trở là phần tử phổ biến nhất trong các mạch điện
 Có 3 loại điện trở:
 Điện trở carbon:
 Phổ biến nhất,
 Có giá trị lớn (kΩ - MΩ)
 Dung sai lớn: 5 – 10%


DC
w
L
R
r
2
 Điện trở dây quấn:
 Có giá trị nhỏ (Ω), sai số nhỏ
 Thường sử dụng làm việc ở tần số thấp

 Ở tần số cao: Có hiện tượng tự cảm  điện cảm L
 Điện trở màng mỏng:
 Chế tạo theo kỹ thuật mang kim loại
 Có độ chính xác cao (Ω)
 Kích thước nhỏ gọn.

3I-HUST
2012
21
Chương 4: Phần tử không lý tưởng
 Ở tần số thấp: Điện trở là thuần trở (lý tưởng):
 Điện trở dây cuốn: Tồn tại hiện tượng tự cảm  điện cảm ký sinh L
 Tồn tại điện dung ký sinh: 1 – 2pF
 Ở tần số cao: Điện trở không lý tưởng
Điện trở thực và mô hình tương đương của điện trở khi
xét ở tần số cao
Mô hình giản đơn của điện trở khi
xét ở tần số cao
II. Các phần tử thụ động (passive element)
II.2. Điện trở

3I-HUST
2012
22
Chương 4: Phần tử không lý tưởng
Ví dụ 4.6: Xét điện trở dây quấn, có chiều dài dây quấn 0,5 in., khoảng cách quấn
dây 0,25 in., với kích thước dây r
w
= 16mils.
 Điện cảm ký sinh:








lead
w
s
L .0,5=13,97nH
r
3
0,25.10
10,16 ln .0,5 10,16 ln
16
 Tụ điện ký sinh:
  
   
   


lead ks
w
C pF<<C =1pF
s
r
3
0,706 0,706
.0,5 0,5 0,129

0,25.10
ln
ln
16
 Với điện trở 1kΩ hoạt động ở tần số 159MHz 







  

ks
C
ks
L lead
Xk
C
X L k
1
1
14
 Tần số cộng hưởng:


lead ks
f GHz
LC

1
1,3
2
II. Các phần tử thụ động (passive element)
II.2. Điện trở

3I-HUST
2012
23
Chương 4: Phần tử không lý tưởng
 Hai loại tụ phổ biến:
 Tụ hóa:
 Giá trị lớn: μF ~ vài nghìn μF, phân cực
 Sử dụng các chất điện môi phân cực
 Trong EMC: Chống nhiễu trong dải tần số thấp
 Tụ gốm:
 Giá trị nhỏ: Dưới 1μF – vài pF, không phân cực
 Trong EMC: Chống nhiễu các tín hiệu tần số cao
(trong dải tần số gây nhiễu bức xạ ~ 100MHz)
 Đặc tính tần:

  
C
Z
j C C
0
11
90
II. Các phần tử thụ động (passive element)
II.3. Tụ điện

3I-HUST
2012
24
Chương 4: Phần tử không lý tưởng
 Mô hình mạch tương đương: Tụ hóa và tụ gốm đều có
cùng một mô hình mạch tương đương, nhưng thông số
khác nhau
 R
diel
: đặc trưng cho tổn hao về sự phân cực của chất
điện môi (rất lớn, có thể bỏ qua)
 R
plate
: điện trở của 2 bản cực (rất nhỏ, có thể bỏ qua
đối với tụ gốm).
 L
lead
, C
lead
: C
lead
có thể bỏ qua khi xét ở tần số thấp
Mô hình mạc tương đương
của tụ ở tần số cao
Mô hình mạch giản đơn của
tụ điện ở tần số cao
II. Các phần tử thụ động (passive element)
II.3. Tụ điện

3I-HUST
2012
25
Chương 4: Phần tử không lý tưởng
Mô hình mạch giản đơn của
tụ điện ở tần số cao
Ví dụ 4.7: Xét tụ điện có giá trị 470pF (0,1μF) có kích thước: khoảng cách 2
chân s = 0,25 in., chiều dài chân l = 0,5 in.
 Giá trị điện kháng ký sinh của đầu chân cắm:




e lead
w
s
L 14nH=L
r
10,16 ln .0,5
 Tần số cộng hưởng f
0
 Với tụ 470pF:


 Với tụ 0,1μF:




lead

f MHz
LC
0
12 9
11
62
2
2 14.10 .470.10




lead
f MHz
LC
0
12 6
11
4,25
2
2. 14.10 .0,1.10
II. Các phần tử thụ động (passive element)
II.3. Tụ điện