Metodika návrhu plošných spojů XIV – Kapacitní zátěž a přeslechy

Tentokrát se zaměřením na vliv kapacitní zátěže na průchozí signál a přeslechy vznikající vlivem kapacitní a induktivní vazby.

Vliv kapacitní zátěže
Je-li k vedení připojena zatěžovací kapacita C_d, bude zpoždění šíření signálů t’_pd:

(1)

kde C/l je kapacita a t_pd zpoždění průchodu danou geometrickou konfigurací vedení bez kapacitní zátěže. Zatěžovací kapacitu C_d musíme přepočítat na jednotku délky. Jako kapacitní zátěž si můžeme představit vstupní kapacitu hradel číslicových integrovaných obvodů (vstupní kapacity většiny typů číslicových obvodů se pohybují okolo 5 pF).

Analogicky bude mít zatěžovací kapacita vliv i na výslednou impedanci vedení Z’₀:

(2)

Přeslechy
Přeslechy jsou jedním z nejzávažnějších problémů, které musíme při návrhu layoutu řešit. Jsou způsobeny elektrickou a magnetickou vazbou mezi vodiči na plošném spoji. Přeslech definujeme jako poměr rušícího napětí U_S (source) a rušeného napětí U_V (victim) vyjádřený v decibelech:

(3)

Na obr. 1 je znázorněn typický případ přeslechu na plošném spoji. Je zřejmé, že přeslechy způsobuje vzájemná kapacitní (C_m) a induktivní vazba (L_m). U kapacitní vazby způsobují rušení změny napětí, u induktivní vazby potom změny proudu.

Obr. 1: Typický příklad přeslechu na plošném spoji

Kapacitní vazba
V obr. 1 zanedbáme vzájemnou indukčnost L_m. Budeme-li předpokládat, že průběh napětí U_S je v praxi to napětí, které bychom naměřili na rušícím spoji, můžeme impedanci Z_S1 nahradit zkratem a impedanci Z_L1 rozpojit (obr. 2a). Dále v impedancích Z_S2 a Z_L2 zanedbáme induktivní složky. Kapacita C_WG je parazitní kapacita vedení (plošného spoje).

Obr. 2: Kapacitní vazba

Pro výsledné zjednodušené schéma (obr. 2b) můžeme odvodit vztah pro poměr napětí |U_V /U_s|:

(4)

Omezíme-li se na řešení kapacitní vazby vedení, v němž dochází ke skokovým změnám napětí (tedy například číslicové obvody), dostaneme pro náhradní zapojení z obr. 2b poměr:

(5)

Kladné znaménko v čitateli platí při náběžné hraně a záporné při sestupné hraně rušícího signálu U_S. Vrcholová hodnota U_Vm napětí na rušeném vedení záleží na poměru kapacit a je dána vztahem (5) pro t=0₊.

Induktivní vazba
Dva elektrické obvody se navzájem ovlivňují prostřednictvím magnetického pole, které je vyvoláno proudy, které jimi protékají. Proud I_S indukuje vzájemnou indukčností do rušeného obvodu napětí U_Lm. Toto napětí vyvolá v rušeném obvodu proud I_V.

(6)

Velikost napětí U_V, které se dostává induktivní vazbou do rušeného vedení a dále do zátěže Z_L2, je dána rovnicí:

(7)

Pro sinusový průběh proudu IS je indukované napětí ULm dáno vztahem:

(8)

Pro napětí U_V dostaneme vztah:

(9)

kde za Z_S2 a Z_L2 dosadíme parametry dle vlastností příslušných obvodů. Pro většinu běžných obvodů stačí vstupní impedanci Z_L2 nahradit paralelní kombinací R_L2 a C_L2 a výstupní impedanci Z_S2 nahradit odporem R_S2 (vliv kondenzátoru C_S2 je možné zanedbat, neboť R_S2<<1/?C_S2). Z výsledného zapojení z obr. 3b) je možné odvodit vztah pro napětí U_V:

(10)

Obr. 3: Induktivní vazba

Při řešení induktivní vazby vedení, v němž dochází ke skokovým změnám proudu, dostaneme pro maximální hodnotu napětí U_V dle náhradního zapojení z obr. 3 výraz:

(11)

Autor: Ing. Vít Záhlava, CSc.

Odkazy & Download:
České vysoké učení technické v Praze
Metodika návrhu propojování součástek - 34MPS

Moderní trendy v programovatelné logice, aplikace v automatizační a měřicí technice

Metodika návrhu plošných spojů XX – Součástky a EMC

Metodika návrhu plošných spojů XIX – Elektromagnetické pole

Metodika návrhu plošných spojů XVIII – Normy EMC