اندازه‌گیری عملی امپدانس Via و دومین قانون طراحی Ground

اکنون بیایید امپدانسVia  را به‌صورت عملی اندازه‌گیری کنیم. برای این آزمایش، دو مدار آزمایشی طراحی کرده‌ام. ابتدا شماتیک آن‌ها را مشاهده می‌کنید.

مدار بسیار ساده است. دو کانکتورSMA  توسط یک مسیر مسی به یکدیگر متصل شده‌اند و دقیقاً در وسط این مسیر، اتصال به زمین قرار دارد.

در تصویر برد نیز می‌توانید این ساختار را مشاهده کنید. در شکل زیر، نسخه دولایه و نسخه چهارلایه نمایش داده شده است. از روی لایه بالایی تقریباً هیچ تفاوتی بین این دو برد دیده نمی‌شود.

اما اجازه دهید ببینیم در عمل چه اتفاقی رخ می‌دهد.

نتایج اندازه‌گیری

نتایج اندازه‌گیری بسیار جالب هستند. از آنجا که Via یک عنصر ایده‌آل نیست و دارای اندوکتانس است، اتصال آن به زمین نیز ایده‌آل نخواهد بود. اگر Via کاملاً ایده‌آل بود، در تمام بازه فرکانسی از صفر تا یک گیگاهرتز، بهره اندازه‌گیری‌شده برابر منفی بی‌نهایت دسی‌بل می‌شد؛ یعنی هیچ سیگنالی از این نقطه عبور نمی‌کرد.

اما در عمل چنین چیزی امکان‌پذیر نیست. در نمودار مشاهده می‌کنید که:

منحنی آبی مربوط به برد دولایه است. از آنجا که امپدانس Via در این برد نسبتاً زیاد است، بخشی از سیگنال از محل اتصال زمین عبور می‌کند و در نتیجهCross Talk  قابل توجهی ایجاد می‌شود. برای مثال، در فرکانس ۸۰۰ مگاهرتز، این Via تنها حدود ۲۲ دسی‌بل تضعیف ایجاد می‌کند.

“به عبارت دیگر، اتصال زمین در این فرکانس چندان مؤثر نیست.”

اما در برد چهارلایه شرایط کاملاً متفاوت است. در همان فرکانس، میزان تضعیف حدود ۵۸ دسی‌بل است. اختلاف این دو مقدار تقریباً ۳۴ دسی‌بل است. اگر این اختلاف را به نسبت تبدیل کنیم، تقریباً ۵۰ برابر تفاوت به دست می‌آید. حال این نتیجه را با محاسبات قبلی مقایسه کنید.

در بخش قبل دیدیم که:

• اندوکتانس Via در برد چهارلایه حدود ۱۲ پیکوهانری و در برد دولایه حدود۵۰۰ پیکوهانری است. نسبت این دو تقریباً ۴۲ برابر است.

همان‌طور که مشاهده می‌شود، این مقدار با نتیجه اندازه‌گیری عملی بسیار نزدیک است. بنابراین مدل محاسبه اندوکتانسVia دقت بسیار خوبی دارد.

اولین بهبود  Layout

اکنون به اولین نسخه بهبودیافته Layout می‌رسیم. این برد هنوز دولایه است. اما نسبت به طراحی قبلی دو تغییر مهم ایجاد شده است.

1. اول اینکه اکنون از یکGround Plane استفاده شده است.
2. دوم اینکه هر اتصال زمین،Via اختصاصی خودش را دارد.

اگر به تصویر نگاه کنید، مشاهده می‌کنید که هر خازن یا قطعه‌ای که به زمین متصل است، درست در کنار پایه Ground خود یک Via مجزا دارد.

اما هنوز یک مشکل باقی مانده است. همان‌طور که در تصویر مشخص است، سلف‌ها همچنان با یکدیگر کوپل مغناطیسی دارند.

علاوه بر آن، نویسنده متوجه پدیده دیگری نیز شده است که در ابتدا توضیح آن برایش دشوار بوده است.

کوپلینگ بین حلقه‌های جریان

در بخش های قبلی یاد گرفتیم که جریان برگشتی دقیقاً در زیر مسیر سیگنال حرکت می‌کند. بنابراین، زمانی که جریان از این مسیر عبور کرده و به سمت Via حرکت می‌کند، جریان برگشتی نیز دقیقاً در زیر آن حرکت خواهد کرد. در نتیجه یک حلقه جریان کوچک تشکیل می‌شود.

اگر از کنار به PCB نگاه کنیم، این حلقه کاملاً قابل مشاهده خواهد بود. در قسمت دیگر مدار نیز حلقه مشابهی تشکیل می‌شود. نویسنده متوجه شده است که این دو حلقه احتمالاً مانند ترانسفورماتور با یکدیگر رفتار می‌کنند. به عبارت دیگر، این دو حلقه از طریق میدان مغناطیسی به یکدیگر کوپل شده‌اند.

توضیح اصطلاح Current Loop (حلقه جریان):

هر زمان که جریان از یک مسیر به سمت بار حرکت کرده و از مسیر دیگری به منبع بازگردد، یک حلقه جریان تشکیل می‌شود. اندازه این حلقه مستقیماً بر مقدار اندوکتانس، میزان تشعشع الکترومغناطیسی (EMI) و حساسیت مدار به نویز تأثیر می‌گذارد. یکی از مهم‌ترین اصول طراحی PCB، کوچک نگه داشتن سطح این حلقه‌ها است.

برای بررسی این فرضیه، نویسنده یکی از خازن‌ها را به محل دیگری منتقل کرده و با ایجاد یک Via جدید، مسیر جریان را تغییر داده است. نتیجه بسیار جالب بوده است. پاسخ مدار به شبیه‌سازی ایده‌آل بسیار نزدیک‌تر شده است. به اعتقاد نویسنده، این تغییر را نمی‌توان تنها با کوپلینگ خازنی توضیح داد. به همین دلیل، او احتمال می‌دهد که علت اصلی، کوپلینگ القایی بین حلقه‌های جریان باشد.

او همچنین اشاره می‌کند که در بخش های بعدی اندازه‌گیری‌هایی ارائه خواهد کرد تا این فرضیه را نیز به‌صورت عملی اثبات کند.

نتیجه اولین بهبود

اکنون نمودار اندازه‌گیری این Layout جدید را مشاهده می‌کنیم.

منحنی نارنجی مربوط به این نسخه جدید است. منحنی قرمز مربوط به بدترین Layout اولیه است.

همان‌طور که دیده می‌شود، نسبت به نسخه قبلی پیشرفت قابل توجهی حاصل شده است. اما هنوز فاصله زیادی با بهترین پاسخ ممکن وجود دارد؛ همان منحنی آبی که هدف نهایی طراحی است.

دومین بهبود Layout

اکنون به نسخه بعدی Layout می‌رسیم. این برد همچنان دولایه است. همچنان ازGround Plane  استفاده می‌کند و همچنان هر اتصال زمین دارای Via اختصاصی خود است. اما این بار دو مشکل قبلی نیز برطرف شده‌اند.

• اولین تغییر این است که سلف‌ها نسبت به یکدیگر ۹۰ درجه چرخانده شده‌اند یا فاصله آن‌ها آن‌قدر زیاد شده است که میدان‌های مغناطیسی دیگر بر یکدیگر اثر محسوسی ندارند. در نتیجه، کوپلینگ بین آن‌ها تقریباً از بین رفته است.
• دومین تغییر مربوط به حلقه‌های جریان است. هرچند نویسنده هنوز علت دقیق این پدیده را کاملاً نمی‌داند، اما اکنون این دو حلقه نیز نسبت به یکدیگر ۹۰ درجه قرار گرفته‌اند. در نتیجه، تأثیر متقابل آن‌ها بسیار کمتر شده است.

همچنین فاصله بین آن‌ها نیز افزایش یافته است. تمام این تغییرات باعث شده‌اند اثرات ناخواسته تقریباً حذف شوند.

نتیجه این بهبود

اندازه‌گیری جدید با منحنی مشکی نمایش داده شده است.

بیشترین بهبود در فرکانس‌های بالاتر از ۴۰۰ مگاهرتز مشاهده می‌شود. البته در تمام بازه فرکانسی عملکرد بهتر شده است، اما هرچه فرکانس افزایش پیدا می‌کند، تفاوت این طراحی با نسخه‌های قبلی بیشتر و بیشتر می‌شود. این موضوع بار دیگر نشان می‌دهد که رعایت اصول Layout در فرکانس‌های بالا اهمیت بسیار بیشتری پیدا می‌کند.

بهترین Layout ممکن و سه قانون طلایی Grounding

اکنون به نسخه نهایی Layout می‌رسیم؛ همان طراحی‌ای که در آن هر سه قانون مهم رعایت شده‌اند. اگر به تصویر نگاه کنید، در نگاه اول تقریباً هیچ تفاوتی با Layout قبلی مشاهده نمی‌شود. اما یک تفاوت اساسی وجود دارد. این برد دیگر دولایه نیست، بلکه چهارلایه است.

همچنین Ground Plane دیگر در فاصله 1.6 میلی‌متری از مسیر سیگنال قرار ندارد، بلکه تنها حدود 0.19 میلی‌متر با آن فاصله دارد. همین کاهش فاصله باعث می‌شود امپدانس Via به مقدار بسیار زیادی کاهش پیدا کند. حال ببینیم نتیجه این تغییر در عمل چیست.

نتیجه اندازه‌گیری

در نمودار اندازه‌گیری، اکنون منحنی آبی به دست آمده است.

همان‌طور که مشاهده می‌کنید، این منحنی در بخش بزرگی از بازه فرکانسی تقریباً کاملاً بر روی منحنی شبیه‌سازی ایده‌آل منطبق است. البته در فرکانس‌های بالاتر اختلاف کوچکی مشاهده می‌شود. اما علت این اختلاف، دیگر مربوط به Layout نیست. دلیل آن این است که قطعات واقعی کیفیت (Q) ایده‌آل ندارند.

در شبیه‌سازی، تمام قطعات کاملاً ایده‌آل فرض شده‌اند، اما در دنیای واقعی مقاومت‌های داخلی، تلفات دی‌الکتریک، مقاومت سری و سایر پارامترهای غیرایده‌آل باعث کاهش کیفیت تشدید (Q) قطعات می‌شوند. به همین دلیل، پاسخ واقعی کمی زودتر از پاسخ شبیه‌سازی افت می‌کند. اگر به نمودار دقت کنید، این موضوع کاملاً مشخص است.

در شبیه‌سازی، منحنی بنفش تقریباً تا انتهای باند کاملاً تخت باقی می‌ماند و سپس ناگهان افت می‌کند. اما در اندازه‌گیری واقعی، این افت کمی زودتر آغاز می‌شود. با این حال، تا حدود ۸۰۰ مگاهرتز، پاسخ اندازه‌گیری‌شده تقریباً کاملاً با شبیه‌سازی مطابقت دارد. پس از آن، تفاوت‌ها به تدریج افزایش پیدا می‌کنند که علت آن نیز غیرایده‌آل بودن قطعات واقعی است، نه اشکال در طراحی PCB. در مجموع، نویسنده نتیجه می‌گیرد که این Layout یک طراحی بسیار موفق و باکیفیت است.

توضیح اصطلاح Q Factor (ضریب کیفیت):

ضریب کیفیت یا Quality Factor (Q)  معیاری برای سنجش میزان تلفات یک عنصر تشدیدکننده مانند سلف یا خازن است. هرچه مقدار Q بیشتر باشد، انرژی با تلفات کمتری ذخیره و منتقل می‌شود و پاسخ فرکانسی مدار به حالت ایده‌آل نزدیک‌تر خواهد بود. در فرکانس‌های بالا، کیفیت واقعی قطعات تأثیر مستقیمی بر عملکرد فیلترها، نوسان‌سازها و مدارهای RF دارد.

سه قانون طلایی طراحی Ground

اکنون که تمام آزمایش‌ها انجام شده‌اند، می‌توان قوانین اصلی طراحی Ground را به صورت خلاصه بیان کرد.

1. قانون اول

از یک Ground Plane کاملاً پیوسته و بدون هیچ‌گونه بریدگی یا مانع استفاده کنید. وجود شکاف یا بریدگی در صفحه زمین باعث افزایش امپدانس مسیر جریان برگشتی، ایجاد حلقه‌های جریان، افزایش EMI و افت عملکرد مدار خواهد شد.

2. قانون دوم

برای هر اتصال زمین، یک Via اختصاصی در نظر بگیرید. این Via باید تا حد امکان به پایه Ground همان قطعه نزدیک باشد. به عبارت دیگر، هر قطعه باید کوتاه‌ترین مسیر ممکن را برای اتصال به Ground Plane در اختیار داشته باشد. اشتراک یک Via بین چند قطعه یا ایجاد مسیرهای طولانی تا Via، باعث افزایش امپدانس و ایجاد تداخل بین مدارها خواهد شد.

3. قانون سوم

در صورت امکان، از PCB چهارلایه استفاده کنید. در بردهای چهارلایه می‌توان Ground Plane را بسیار نزدیک به لایه سیگنال قرار داد. این کار باعث می‌شود:

• اندوکتانس Via به شدت کاهش پیدا کند.
• مسیر جریان برگشتی بسیار کوتاه شود.
• امپدانس Ground کاهش یابد.

عملکرد مدار در فرکانس‌های بالا به شکل محسوسی بهبود پیدا کند.

اگر مجبور باشیم از PCB دولایه استفاده کنیم چه؟

نویسنده در ادامه به یک سؤال مهم اشاره می‌کند. بردهای چهارلایه معمولاً گران‌تر از بردهای دولایه هستند. بنابراین اگر مجبور باشیم از برد دولایه استفاده کنیم، چگونه می‌توان بهترین عملکرد ممکن را از آن به دست آورد؟

او توضیح می‌دهد که موضوع آموزش بعدی دقیقاً همین خواهد بود. در آن بخش آینده قرار است موارد زیر بررسی شوند:

• تحلیل دقیق‌تر طراحی‌های دولایه
• بررسی ریسک‌های خاص PCBهای دولایه
• روش‌های استخراج حداکثر عملکرد از بردهای دولایه
• قوانین ویژه برای بهینه‌سازی Ground در PCBهای دولایه