Андрей Трундов - Высокоскоростные печатные платы. Сохранение целостности электрических сигналов и электропитания

Если нарисовать векторы магнитной индукции по касательной к силовым линиям магнитного поля в центре витка с током, все они будут совпадать по направлению и суммарная величина магнитного потока, созданного такими векторами, будет равна сумме величин всех векторов в данной точке пространства. То есть, концентрация векторов и магнитный поток в центре витка с током будет иметь максимальное значение.

Рис. 3 Увеличение магнитного потока в центре витка с током

В месте изгиба проводника концентрация векторов магнитной индукции увеличивается по сравнению с их количеством на единицу прямого участка линии. Увеличение концентрации векторов в таких зонах говорит о локальном увеличении индуктивности и повышении энергии магнитного поля.

Именно из-за наличия изгибов и контуров большой крутизны и площади резко возрастает вероятность и уровень наводки между соседними линиями передачи.

Рис. 4 Повышение концентрации векторов B в центре изгиба проводника

Энергия магнитного поля определяется из выражения

Если сила тока и его скорость в проводнике меняются (например, в местах прохождения фронта или спада прямоугольного сигнала), вокруг проводника возникает переменное магнитное поле, которое создает (порождает вокруг себя) переменное электрическое поле. Такое взаимодействие приводит к появлению электромагнитного поля.

Рис. 5 Формирование электромагнитной волны

В вакууме направление и величина напряженности магнитного поля H и вектора магнитной индукции B совпадают. В общем случае справедливо выражение.

,где µ 0 = 4π*10 —7 Гн/м – магнитная постоянная, µ – магнитная проницаемость среды, π = 3,14 – постоянный коэффициент.

Вектор напряженности электрического поля перпендикулярен вектору напряженности магнитного поля. Вектор Умова-Пойнтинга П, равный векторному произведению векторов электрической напряженности E и магнитной напряженности H, показывает количество энергии и направление распространения электромагнитного поля.

На рисунке выше векторы показаны только в одной точке пространства. Если изобразить распространение волны для фронта прямоугольного импульса, волна будет излучаться от проводника в окружающую среду и будет перемещаться по ходу движения фронта сигнала вдоль проводника с током.

Рис. 6 Электромагнитное поле, сформированное фронтом импульса в проводнике

Электромагнитные волны способны накладываться друг на друга, например, при отражении от неоднородностей. Такое явление называется интерференцией.

Электромагнитные волны способны огибать препятствия, если размеры препятствий соизмеримы с длиной волны или меньше длины волны. Такое явление называется дифракцией.

Электромагнитные волны способны наводиться на проводники, формируя в них вихревые токи.

Электромагнитные волны способны поглощаться в электрических материалах и диэлектриках с потерей энергии.

Если проводник или проводящая поверхность не заземлены, они могут стать источником вторичного излучения. В этом случае волна будет переизлучаться или отражаться. При соединении данной проводящей поверхности с землей, энергия излучения будет снижена до минимального значения. На этом принципе основано электрическое экранирование.

Величины электрического поля и магнитного поля убывают с увеличением расстояния от источника сигнала. Различают распространение электромагнитной волны в ближнем поле и дальнем поле. Граница l гр между полями определяется выражением

,где 𝜆 – длина волны.

Цифровой сигнал является носителем информации. Основная задача системы передачи информации – обеспечить неискаженную передачу цифровых сигналов из источника в приемник. Приемник должен правильно «распознать» логические нули и единицы (в двоичной системе счисления) для восстановления сигнала, претерпевшего искажения в линии передачи. Важно знать основные характеристики прямоугольного импульса напряжения, причины, приводящие к искажению импульсов и построить систему передачи так, чтобы либо предотвратить или уменьшить эти искажения, либо восстановить сигнал по некоторым критериям.

Единичным или базовым элементом цифрового сигнала в книге определен одиночный прямоугольный импульс напряжения [7].

Во временной области сигнал может быть представлен как зависимость изменения напряжения от времени.

В частотной области сигнал может быть представлен спектром – набором гармонических колебаний с разными значениями амплитуд, распределенным на частотной оси.

С точки зрения распространения энергии о сигнале можно говорить как об электромагнитной волне.

Представление сигнала во временной области мы можем наблюдать на экране осциллографа. При включении режима быстрого преобразования Фурье на экране осциллографа можно наблюдать спектр сигнала в режиме реального времени. Прибор, позволяющий увидеть распространение электромагнитной волны в пространстве, пока является только мечтой многих радиолюбителей, ученых и инженеров.

Основными параметрами идеального прямоугольного импульса являются длительность и амплитуда. В многопроводных интерфейсах может быть добавлена третья характеристика – положение импульса на временной оси, а также отклонение фронта и спада импульса от «ожидаемых» значений, называемое джиттером.

В характеристиках интерфейсов также встречается параметр «skew» (разбег фронтов сигналов в разных линиях одной шины либо дифференциальной пары).

Положение сигнала на временной оси, сдвиг относительно ожидаемого значения по времени, разбег задержек не относятся к форме сигнала и не могут быть применимы при разговоре о его целостности, но являются важными параметрами различных интерфейсов и должны приниматься во внимание в том числе и инженерами конструкторами печатных плат.