Nhiễu và tương thích trường điện từ chương 3 mô hình đường truyền dẫn và bảo toàn tín hiệu

3I-HUST
2012
Nhiễu và tương thích trường điện từ
Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn – Vấn đề
bảo toàn tín hiệu


I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn
II. Đường truyền trên mạch in
III. Ghép nối đường truyền - Vấn đề bảo toàn tín hiệu
1

3I-HUST
2012
Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn
Vấn đề bảo toàn tín hiệu
I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn
I.1. Mô hình đường dây truyền dẫn
 Trong hệ thống số/tương tự, các tín hiệu được truyền trên các
đường truyền dẫn (các dây dẫn hình trụ)
 Phân loại mô hình đường truyền dẫn:
 Đường truyền 2 dây:
 Nguồn tín hiệu đặc trưng bằng mạng 1 cửa Thevenin
 Tải tuyến tính, thuần trở
2

3I-HUST
2012
Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn
Vấn đề bảo toàn tín hiệu

I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn
I.1. Mô hình đường dây truyền dẫn
 Phân loại mô hình đường truyền dẫn:
 Đường truyền 1 dây so đất:
 Đường truyền cáp đồng trục
3

3I-HUST
2012
Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn
Vấn đề bảo toàn tín hiệu
I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn
I.1. Mô hình đường dây truyền dẫn
 Vào khoảng thập niên 1980, việc ghép nối các đường truyền dẫn
thường đơn giản: Điện áp, dòng điện tại đầu và cuối của các đường
truyền dẫn là giống nhau.
 Tuy nhiên, ngày nay khi tốc độ xung nhịp (tần số của tín hiệu) tăng lên
 cần chú ý sự ảnh hưởng của đường truyền dẫn đối với tín hiệu.
 Vấn đề cần giải quyết:
 Hạn chế sự ảnh hưởng của đường truyền dẫn đối với tín hiệu
 Bảo đảm tính toàn vẹn của tín hiệu trên đường truyền
 Thời gian truyền
 Hiện tượng phản xạ sóng
4

3I-HUST
2012
Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn
Vấn đề bảo toàn tín hiệu
I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn

I.1. Mô hình đường dây truyền dẫn

D
L
T s
v
()
 Với mô hình đường truyền 2 dây và 1 dây so đất: Coi không gian xung
quanh dân dẫn là chân không (~ không khí)
5

3I-HUST
2012
Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn
Vấn đề bảo toàn tín hiệu
I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn
I.1. Mô hình đường dây truyền dẫn

D
L
T s
v
()
 Với mô hình đường truyền cáp đồng trục: Môi trường xung quanh dây
dẫn là chất điện môi (μ
r
=1, ε
r
> 1)  tốc độ truyền tín hiệu giảm
    


r r r
v
v
0
00
1
ε
r
= 4,7

6

3I-HUST
2012
Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn
Vấn đề bảo toàn tín hiệu
I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn
I.1. Mô hình đường dây truyền dẫn

D
L
T s
v
()
 Với mô hình đường truyền đi dây trên mạch in như dưới đây, việc tính
tốc độ truyền tín hiệu phức tạp hơn

    


   
r
r r r
v
v
0
00
1 1 4,7
; 2,85
2
7

3I-HUST
2012
Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn
Vấn đề bảo toàn tín hiệu
I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn
I.2. Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn
 Xét đường truyền dẫn 2 dây đặt song song với trục
z, đặt lên chúng điện áp V  xuất hiện cường độ
điện trường E
T
 nối kín mạch có dòng điện I

 Mô hình thông số rải của đường dây truyền dẫn:
 C: điện dung tính trên đơn vị dài [F/m]
 L: điện cảm tính trên đơn vị dài [H/m]
 Quá trình truyền tín hiệu trên đường dây tạo ra
các quá trình nạp/xả năng lượng trên C, L của
đường dây  tạo độ trễ tín hiệu (thời gian

truyền sóng)
8

3I-HUST
2012
Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn
Vấn đề bảo toàn tín hiệu
I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn
I.2. Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn
 Xét vi phân độ dài đường truyền dẫn ∆z
 Applying KVL:


     

   





z
I z t
V z z t V z t L z
t
V z z t V z t V z t
zz
V z t I z t
L
zt

0
( , )
( , ) ( , )
( , ) ( , ) ( , )
lim
( , ) ( , )
 Applying KCL:

   


z
I z z t I z t I z t
zz
0
( , ) ( , ) ( , )
lim

  

I z t V z t
C
zt
( , ) ( , )
9
  
     

V z z t
I z z t I z t C z

t
( , )
( , ) ( , )

3I-HUST
2012
Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn
Vấn đề bảo toàn tín hiệu
I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn
I.2. Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn
 Ta có hệ phương trình mô tả đường dây truyền dẫn
V z t I z t
L
zt
I z t V z t
C
zt
( , ) ( , )
( , ) ( , )




























V z t V z t
LC
zt
I z t I z t
LC
zt
22
22
22
22
( , ) ( , )
( , ) ( , )
 Đây là hệ phương trình mô tả quá
trình truyền tín hiệu trên đường dây.

10

3I-HUST
2012
Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn
Vấn đề bảo toàn tín hiệu
I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn
I.2. Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn
 Phương trình mô tả đường dây truyền dẫn:













V z t V z t
LC
zt
I z t I z t
LC
zt
22
22

22
22
( , ) ( , )
( , ) ( , )
11
 Nếu môi trường đồng chất: Hệ số điện
môi ɛ, hệ số từ thẩm môi trường μ ≈ μ
0
= 1

LC
 

r
v
v
0
1









L
Cv
C

Lv
2
2
1
1
 Nếu môi trường không đồng chất: Hệ
số điện môi trung bình
  

  
r
r
v
LC v
'
0
00
'

3I-HUST
2012
Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn
Vấn đề bảo toàn tín hiệu
I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn
I.3. Một số mô hình đường dây truyền dẫn
 Xét đường dây truyền dẫn mang thông tin
12
Từ trường của dây dẫn
Điện trường của dây dẫn
Mô hình xác định L của dây truyền tin

Mô hình xác định C của dây truyền tin
 Mô hình truyền dẫn 2 dây

3I-HUST
2012
Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn
Vấn đề bảo toàn tín hiệu
I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn
I.3. Một số mô hình đường dây truyền dẫn
13
Mô hình xác định L của dây truyền tin
Mô hình xác định C của dây truyền tin



   

   
   ww
ss
L [ H/m]
rr
0
ln 0,4 ln


   
   
   ww
C [pF/m]

ss
rr
0
27,78
ln ln

w w w
r r r
12
 Mô hình truyền dẫn 2 dây

3I-HUST
2012
Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn
Vấn đề bảo toàn tín hiệu
I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn
I.3. Một số mô hình đường dây truyền dẫn
14
Phương pháp soi ảnh xác định C trong
mô hình truyền dẫn 1 dây so đất





w
w
C [F/m] h>>r
h
r

0
2
2
ln
 Mô hình truyền dẫn 1 dây so đất
 Xét đường dây truyền dẫn
kích thước r
w
 Khoảng cách đất và dây: h






w
w
h
L [H/m] h>>r
r
0
2
ln
2





 Tm A

12
0
7
0
8,854.10
4 .10 /
Trong chân không (không khí)

3I-HUST
2012
Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn
Vấn đề bảo toàn tín hiệu
I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn
I.3. Một số mô hình đường dây truyền dẫn
15



   
   
   
r
ss
ww
C [pF/m]
rr
rr
55,56
2
ln ln

 Mô hình truyền dẫn cáp đồng trục



   

   
   
ss
ww
rr
L [ H/m]
rr
0
ln 0,2 ln
2
Mô hình xác định L của cáp đồng trục
Sự phân bố đối xứng của vector cường
độ điện trường E trong cáp đồng trục

3I-HUST
2012
Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn
Vấn đề bảo toàn tín hiệu
I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn
I.3. Một số mô hình đường dây truyền dẫn
16
Ví dụ 3.1: Tính thông số của đường dây truyền dẫn có cấu trúc theo mô hình
truyền dẫn 2 dây biết kích thước dây r
w

= 7,5mil, khoảng cách 2 dây là
50mil.







w
s
L =0.759 H/m
r
50
0, 4 ln 0,4 ln
7,5

   



w
C =14,64pF/m
s
r
27,78 27,78
50
ln
ln
7,5

 Áp dụng công thức tính thông số của đường dây theo mô hình truyền
dẫn 2 dây, ta có:

3I-HUST
2012
Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn
Vấn đề bảo toàn tín hiệu
I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn
I.3. Một số mô hình đường dây truyền dẫn
17
Ví dụ 3.2: Tính thông số của đường dây truyền dẫn có cấu trúc theo mô hình
truyền dẫn 1 dây so đất biết kích thước dây r
w
= 16 mil, khoảng cách dây với
đất h = 1cm.
 Áp dụng công thức tính thông số của đường dây theo mô hình truyền
dẫn 1 dây so đất, ta có:



  
   



w
C pF m
h
r
12

0
2
2 .8,854.10
14,27 /
2.393,7
2
ln
ln
16







  



w
h
L ln H m
r
7
0
2 4 .10 2.1
ln 0,779 /
2 2 0.04064
mils mm1 0,0254

3I-HUST
2012
Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn
Vấn đề bảo toàn tín hiệu
I. Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn
I.3. Một số mô hình đường dây truyền dẫn
18
Ví dụ 3.3: Tính thông số của đường cáp đồng trục RG58U biết bán kính lõi
cáp 16mils, bán kính vỏ cáp 58 mils, chất điện môi giữa cáp và vỏ có hệ số
điện môi ɛ
r
= 2,3. Tính vận tốc truyền tín hiệu trong cáp.

  
   




r
s
w
C pF m
r
r
55,56
55,56.2,3
99.22 /
58

ln
ln
16



  




s
w
r
L H m
r
58
0,2 ln 0,2 ln 0,258 /
16
 Áp dụng công thức tính thông số của đường dây theo mô hình truyền
dẫn cáp đồng trục, ta có:

  v m s
LC
8
6 12
11
1,976.10 /
0,258.10 .99,22.10

3I-HUST
2012
II. Đường truyền trên mạch in
 Các thông số cơ bản của đường dây dài
 Tổng trở sóng:
 Vận tốc truyền sóng:
C
L
Z [ ]
C

C
C
Z
L
v
L
C
vZ













r
v
v
LC
0
'
1
 Xét mô hình đường truyền trên mạch in:
 Mạch in nhiều lớp, phủ đất
C
e
r
Z
w
s
30 1
0, 441




e
ww

ss
w
s
w w w

s s s
2
0,35
0,35 0,35








  




19
Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn
Vấn đề bảo toàn tín hiệu

3I-HUST
2012
II. Đường truyền trên mạch in


   


C

e
r
Z
w
s
30 1 30 1
63,84
0,24 0,441
4,7
0,441
20
Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn
Vấn đề bảo toàn tín hiệu
Ví dụ 3.4: Tính thông số của mạch in nhiều lớp biết khoảng cách giữa 2 lớp
phủ đất s = 20mils, độ rộng đi dây mạch in w = 5mils, hệ số điện môi của
chất nền mạch in ε
r
= 4,7.
 Áp dụng công thức tính thông số của mạch in
nhiều lớp, ta có:

   


e
w
ww
s s s
2
0,35 0,24



  
Cr
C
Z
Z
L H m
vv
0
0.461 /
   
C
C
LL
Z C pF m
CZ
2
113,2 /

3I-HUST
2012
II. Đường truyền trên mạch in
 Tín hiệu + đất phủ trên 2 mặt đối diện


  





C
r
ht
Z
w t w
87 5,89
ln 0,1 0.8
8
1,41
21
















   







r
C
r
h w w

w h h
Z
w w w

h h h
'
1
'
60 8
ln 1
4
120
1,393 0,667 ln 1,444 1





rr
r
hw

'
11
1
22
1 10 /
Trong đó:
Công thức gần đúng:












r
r
r
h w
h w
'
1
2
Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn
Vấn đề bảo toàn tín hiệu

3I-HUST
2012
II. Đường truyền trên mạch in
22
Do
Ví dụ 3.5: Tính thông số của mạch in có cấu trúc như hình vẽ, biết độ dày
phôi h = 50mils, độ rộng đi dây w = 5mils, hệ số điện môi của chất nền mạch
in ε
r
= 4,7.
 Áp dụng công thức tính thông số mạch in, ta có:



  

rr
r
hw
'
11
1
3,034
22
1 10 /
  
w
h
5
0,1 1

50


   


C
r
hw
Z
wh
'
60 8
ln 150,956
4


    
Cr
C
Z
Z
L H m
vv
'
8
0
.
150,956. 3,034
0,877 /

3.10
  
C
L
C pF m
Z
2
38, 49 /
Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn
Vấn đề bảo toàn tín hiệu

3I-HUST
2012
II. Đường truyền trên mạch in
 Mạch in đi dây một mặt




























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'
23
  

s
k k k
sw
2
; ' 1
2
Trong đó:
  







      







r

rr
h kw
kk
wh
'
1
tanh 0,775ln 1,75 0,04 0,7 0,01 1 0,1 0,25
2
Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn
Vấn đề bảo toàn tín hiệu

3I-HUST
2012
II. Đường truyền trên mạch in
24
Ví dụ 3.6: Tính thông số của mạch in đi dây một mặt có cấu trúc như hình
vẽ, biết độ khoảng cách đi dây s = 15mils, độ rộng đi dây w = 15mils, độ dày
chất nền h = 62mils, hệ số điện môi của chất nền ε
r
= 4,7.
 Áp dụng công thức tính thông số mạch in, ta có:


    
Cr
C
Z
Z
L H m
vv

'
8
0
.
157,036. 2.358
0,804 /
3.10
  
C
L
C pF m
Z
2
38,53 /
   

s
k = k k
sw
2
1
; ' 1 0,943
23
Do
k < =0,7
11
3
2



r
'
2.358


  






C
r
Z
k
k
'
377
157,036
1'
ln 2
1'
Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn
Vấn đề bảo toàn tín hiệu

3I-HUST
2012
II. Đường truyền trên mạch in
 Mạch in đi dây 2 mặt

 Với


 





    






C
rr
r
rr
Z
ww
hh
2
377
11
0,441 ln 0,94 1,451 0,082
2
25


w
h
1
 Với

w
h
1






   
   


   


   



r
C
rr
r
hw

Z
wh
2
1
377 2 4 1 1 0,242
ln 0, 452
8 2 1
1
Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn
Vấn đề bảo toàn tín hiệu