بررسی عملی Cross Talk در بردهای دولایه و چهارلایه

مدار آزمایشی دوم برای بررسی   Cross Talkطراحی شده است. اکنون به دو مدار آزمایشی دیگر روی برد چهارلایه می‌رسیم.

هدف این مدارها، مقایسه میزان Cross Talk در PCBهای دولایه و چهارلایه است. در تصویر زیر، Setup  اندازه‌گیری را مشاهده می‌کنید.

یک NanoVNA به یکی از این ساختارها متصل شده است. حال بیایید ساختار آن را با جزئیات بیشتری بررسی کنیم.

در تصویر Layout مشاهده می‌کنید که در یک سمت، کابل کواکسیال به برد متصل می‌شود. جریان از طریق مسیر سیگنال حرکت می‌کند، سپس از طریق اتصال Ground به صفحه زمین وارد شده و از همان مسیر به منبع بازمی‌گردد.

بنابراین، این ساختار در عمل یک منبع ۵۰ اهم اتصال‌کوتاه‌شده (Shorted 50-Ohm Source) را تشکیل می‌دهد. امپدانس ۵۰ اهم توسط خود کابل کواکسیال تأمین می‌شود. در سمت دیگر نیز دقیقاً همین ساختار تکرار شده است. بنابراین در این آزمایش، میزان انتقال ناخواسته سیگنال از یک حلقه جریان به حلقه دیگر اندازه‌گیری می‌شود.

استفاده از شیلد برای حذف مسیرهای ناخواسته

اگر در تصویر قبلی به تصویر پایین سمت چپ نگاه کنید، این حلقه جریان را مشاهده می‌کنید. این حلقه به‌تنهایی می‌تواند مقدار قابل توجهی تشعشع ایجاد کند. اما هدف این آزمایش اندازه‌گیری انتقال مستقیم بین این دو حلقه نیست. به همین دلیل، یک صفحه شیلد فلزی عمودی بین آن‌ها قرار داده شده است. ممکن است در تصویر به‌خوبی دیده نشود، اما در واقع این صفحه دقیقاً بین دو ساختار نصب شده است.

وظیفه این شیلد آن است که:

تمام کوپلینگ‌هایی را که از طریق فضای بالای برد انجام می‌شوند، مسدود کند.

در نتیجه، هر چیزی که اندازه‌گیری می‌شود، تقریباً فقط ناشی از رفتار داخلی خود PCB خواهد بود. البته برای مقایسه، اندازه‌گیری بدون شیلد نیز انجام شده است.

نتایج اندازه‌گیری

اکنون به نمودار نگاه کنید.

• دو منحنی بالایی مربوط به برد دولایه هستند. در این حالت، مقدار جداسازی (Isolation) چندان زیاد نیست و تلفات حدود ۲۵ دسی‌بل است. نکته جالب این است که وجود شیلد نیز تأثیر چندانی ندارد. در برخی فرکانس‌های بالا حتی به نظر می‌رسد عملکرد کمی بدتر نیز شده باشد.
• اما دو منحنی پایین مربوط به برد چهارلایه هستند. در اینجا نتیجه کاملاً متفاوت است. وجود شیلد حدود ۸ دسی‌بل بهبود ایجاد کرده است. علاوه بر آن، حتی بدون شیلد نیز میزان Cross Talk نسبت به برد دولایه حدود ۱۵ دسی‌بل کمتر است. با وجود شیلد، این اختلاف به حدود ۲۰ دسی‌بل می‌رسد.

این نتایج بسیار قابل توجه هستند.

علت این تفاوت چیست؟

برای پاسخ به این سؤال، نویسنده مقطع عرضی هر دو برد را رسم کرده است.

دو تصویر بالایی مربوط به PCB  چهارلایه هستند. در این ساختار،Ground Plane  بسیار نزدیک به لایه سیگنال قرار دارد.

اما دو تصویر پایینی مربوط به PCB  دولایه هستند که در آن فاصله Ground Plane از مسیر سیگنال بسیار بیشتر است.

اگر از کنار به مسیر نگاه کنیم، در برد چهارلایه، جریان از طریق Via وارد Ground Plane می‌شود و بلافاصله بازمی‌گردد. بنابراین سطح حلقه جریان بسیار کوچک است. اما در برد دولایه، جریان باید تقریباً هشت برابر بیشتر پایین برود تا به Ground Plane  برسد و سپس بازگردد. در نتیجه، حلقه جریان بسیار بزرگ‌تر خواهد بود.

همان‌طور که در بخشهای قبلی آموختیم:

هرچه حلقه جریان بزرگ‌تر باشد، رفتار آن بیشتر شبیه یک آنتن خواهد بود.

بنابراین:

• حلقه کوچک = تشعشع کمتر
• حلقه بزرگ = تشعشع بیشتر

Cross Talk  القایی

حال اگر از زاویه دیگری به همان ساختار نگاه کنیم، میدان مغناطیسی تولیدشده توسط این حلقه‌ها را مشاهده خواهیم کرد.

در برد چهارلایه،Ground Plane  نزدیک مسیر سیگنال قرار گرفته است. در نتیجه، این صفحه مانند یک سد مغناطیسی عمل کرده و اجازه نمی‌دهد بخش زیادی از میدان مغناطیسی به سمت مدار مجاور نفوذ کند.

اما در برد دولایه چنین مانعی وجود ندارد. فضای زیادی بین مسیر سیگنال و Ground Plane وجود دارد و میدان مغناطیسی به‌راحتی به حلقه مجاور می‌رسد.

در نتیجه، در آن حلقه ولتاژ یا جریان القا می‌شود. نویسنده این پدیده را Inductive Cross Talk  می‌نامد.

توضیح اصطلاح Inductive Cross Talk (تداخل القایی):

تداخل القایی زمانی رخ می‌دهد که میدان مغناطیسی ایجادشده توسط حلقه جریان یک مدار، در حلقه جریان مدار مجاور ولتاژ یا جریان القا کند. هرچه سطح حلقه‌های جریان بزرگ‌تر و فاصله آن‌ها کمتر باشد، این نوع تداخل شدیدتر خواهد بود.

Cross Talk  خازنی

تنها جریان‌ها نیستند که باعث Cross Talk می‌شوند. ولتاژها نیز می‌توانند موجب تداخل شوند. نویسنده این پدیده را Capacitive Cross Talk  می‌نامد.

در اینجا هر مسیر سیگنال، دارای یک ظرفیت خازنی نسبت به Ground است و همچنین دارای یک ظرفیت خازنی نسبت به مسیر سیگنال مجاور است. در برد چهارلایه، ظرفیت خازنی مسیر نسبت به Ground بسیار بزرگ‌تر است. اما در برد دولایه این ظرفیت بسیار کوچک‌تر است. از طرف دیگر، ظرفیت خازنی بین دو مسیر سیگنال در برد چهارلایه نیز معمولاً کمتر است؛ زیرا بخش عمده خطوط میدان الکتریکی مستقیماً به سمت Ground Plane هدایت می‌شوند، نه به سمت مسیر مجاور.

در نتیجه، جریان جابه‌جایی (Displacement Current) دو مسیر پیشِ رو دارد:

• به سمت Ground Plane
• یا به سمت مسیر سیگنال مجاور

اگر ظرفیت خازنی نسبت به Ground بسیار بزرگ‌تر باشد، تقریباً تمام این جریان به سمت Ground هدایت می‌شود. در نتیجه، مقدار بسیار کمی از آن وارد مسیر مجاور خواهد شد و Cross Talk کاهش می‌یابد.

توضیح اصطلاح Displacement Current (جریان جابه‌جایی):

جریان جابه‌جایی جریانی است که در اثر تغییر میدان الکتریکی ایجاد می‌شود، نه در اثر حرکت واقعی بارهای الکتریکی از میان یک رسانا. در مدارهای RF این جریان از طریق ظرفیت‌های خازنی بین هادی‌ها عبور می‌کند و نقش مهمی در ایجاد کوپلینگ خازنی و Cross Talk دارد.

جمع‌بندی

نویسنده در پایان، نتایج را به صورت زیر خلاصه می‌کند.

1. نوع اول Cross Talk خازنی:

هرچه دو قطعه مسی به یکدیگر نزدیک‌تر باشند:

ظرفیت خازنی بین آن‌ها بیشتر می‌شود. در نتیجه Cross Talk افزایش پیدا می‌کند.

برای کاهش آن می‌توان:

• فاصله دو مسیر را بیشتر کرد.
• یا Ground Plane را به آن‌ها نزدیک‌تر آورد.

انجام هر دو کار به‌طور هم‌زمان، بهترین نتیجه را خواهد داشت.

2. نوع دوم Cross Talk القایی:

این نوع تداخل ناشی از حلقه‌های جریان است.

هرچه حلقه جریان بزرگ‌تر باشد:

مانند یک آنتن قوی‌تر عمل می‌کند و انرژی بیشتری به حلقه مجاور منتقل می‌کند.

برای کاهش آن می‌توان:

• Ground Plane را به مسیر سیگنال نزدیک‌تر کرد تا سطح حلقه کوچک شود.
• یا فاصله بین حلقه‌های جریان را افزایش داد.

ترکیب این دو راهکار نیز بهترین نتیجه را ایجاد می‌کند.

راهکار در PCB دولایه

اما در بردهای دولایه یک محدودیت وجود دارد. ما نمی‌توانیم Ground Plane را مانند یک برد چهارلایه به مسیر سیگنال نزدیک کنیم.

البته می‌توان از بردهای بسیار نازک، مانند PCB  با ضخامت ۰٫۸ میلی‌متر استفاده کرد، اما نویسنده این گزینه را چندان مناسب نمی‌داند؛ زیرا چنین بردهایی انعطاف‌پذیر هستند و ممکن است به قطعات SMD آسیب وارد شود.

بنابراین، اگر از PCB دولایه استاندارد استفاده می‌کنیم، مهم‌ترین راهکار باقی‌مانده این است که:

“فاصله بین قطعات و مسیرهای حساس را تا حد امکان افزایش دهیم تا هم کوپلینگ خازنی و هم کوپلینگ القایی کاهش پیدا کند.“