استراتژی‌های اشتباه در طراحی Ground؛ چرا Star Grounding همیشه راه‌حل خوبی نیست؟

در این قسمت می‌خواهم چند روش اشتباه در طراحی Ground را به شما نشان بدهم؛ روش‌هایی که با وجود اشتباه بودن، به شکل عجیبی در صنعت الکترونیک همچنان بسیار رایج هستند. این روش‌ها آن‌قدر جا افتاده‌اند که حتی خود من هم حدود ۲۰ سال گرفتار یکی از آن‌ها بودم؛ آن هم در طراحی تجهیزات صوتی.

موضوع این نبود که نمی‌دانستم روش درستی نیست؛ اتفاقاً می‌دانستم! اما با این حال، باز هم در دام یکی از همین روش‌ها افتادم. پس بیایید شروع کنیم.

مثال اول: Star Grounding

اولین موضوعی که می‌خواهم درباره آن صحبت کنم، Star Grounding یا «زمین‌کردن ستاره‌ای» است. این همان روشی است که خود من بیش از ۲۰ سال به آن اعتقاد داشتم. در دنیای طراحی تجهیزات صوتی، تقریباً همه می‌گویند که Star Grounding جام مقدس (Holy Grail) در طراحی Ground است.

اما من به این نتیجه رسیده‌ام که واقعاً این‌طور نیست. در روش Star Grounding، تمام نقاط Ground به یک نقطه مرکزی متصل می‌شوند و هر اتصال Ground مسیر مستقلی تا آن نقطه مرکزی دارد؛ به شکلی که اگر مسیرها را روی PCB یا در یک شماتیک ساده ترسیم کنیم، ساختاری شبیه ستاره تشکیل می‌شود. ایده اصلی این روش این است که جریان برگشتی یک بخش مدار، از مسیر Ground بخش دیگری عبور نکند و در نتیجه تداخل ناشی از امپدانس مشترک کاهش پیدا کند.

چرا Star Grounding در نگاه اول بسیار جذاب است؟

بیایید یک مدار نمونه را بررسی کنیم. این یک فیلتر ۳۰ مگاهرتزی است که در قسمت‌های قبلی این مجموعه نیز از آن استفاده شده است.

اگر بخواهید درباره این مدار اطلاعات بیشتری داشته باشید، پیشنهاد می‌کنم قسمت‌های اول تا چهارم مجموعه را ببینید. سیگنال از سمت چپ وارد مدار می‌شود و پس از فیلتر شدن از قسمت راست خارج می‌شود. این مدار چندین اتصال Ground دارد. اگر به نحوه اتصال آن‌ها نگاه کنید، دقیقاً ساختار ستاره‌ای را می‌بینید.

این موضوع شباهت زیادی به یکی از قوانین قبلی دارد. برای هر اتصال Ground، یک Via اختصاصی قرار دهید. بنابراین Star Grounding در نگاه اول یک مزیت واضح دارد:

• عدم ایجاد Cross Talk: چون هر اتصال Ground مسیر مستقل خودش را دارد، جریان یک بخش مدار مجبور نیست از مسیر مشترک بخش دیگری عبور کند.

اما یک عیب بسیار بزرگ وجود دارد:

• وقتی این کار را با ترک‌های باریک به جای Ground Plane انجام دهید، این روش فقط برای DC مناسب است و در فرکانس‌های بالا، داستان کاملاً متفاوت می‌شود.

اکنون بیایید دو روش Star Grounding با Ground Plane را با یکدیگر مقایسه کنیم. در تصویر زیر دو طراحی PCB مختلف، یکی با Star Grounding و دیگری با Ground Plane واقعی می‌بینیم.

ابتدا عملکرد این دو را در فرکانس‌های RF بررسی می‌کنیم و سپس دوباره به سراغ کاربردهای صوتی می‌رویم.

مشکل اول Cross Talk ناشی از امپدانس مشترک:

فرض کنید جریان‌های مختلف مدار از این خازن‌ها عبور کرده و سپس به Ground برمی‌گردند. در روش Star Grounding، چند جریان مختلف مجبورند از همین مسیر مشترک عبور کنند. بنابراین این مسیر یک امپدانس مشترک ایجاد می‌کند. در نتیجه، جریان یک بخش مدار می‌تواند روی ولتاژ Ground بخش دیگری اثر بگذارد و این باعث ایجاد Cross Talk می‌شود.

مشکل دوم Ground با اندوکتانس بالا:

همان‌طور که در قسمت اول این مجموعه توضیح داده شد، سیم‌ها و ترک‌های باریک دارای اندوکتانس هستند. بنابراین در فرکانس‌های بالا، نمی‌توان یک ترک باریک را یک اتصال کوتاه ایده‌آل در نظر گرفت. در DC ممکن است این مسیر تقریباً مانند یک اتصال مستقیم عمل کند، اما هرچه فرکانس بالاتر برود، اثر اندوکتانس آن بیشتر می‌شود.

مشکل سوم ایجاد حلقه‌های بزرگ جریان:

مشکل بعدی این است که Star Grounding باعث ایجاد حلقه‌های جریان بزرگی می‌شود. برای مثال، مسیر جریان در قسمت اول مدار ممکن است یک حلقه نسبتاً بزرگ تشکیل دهد. در قسمت دوم مدار نیز حلقه دیگری ایجاد می‌شود. این حلقه‌های بزرگ باعث ایجاد اندوکتانس اضافی می‌شوند. اما مشکل فقط اندوکتانس نیست. حلقه جریان مانند آنتن عمل می‌کند. همان‌طور که نویسنده بارها در قسمت‌های قبلی توضیح داده است:

این حلقه می‌تواند نویز را دریافت کند و نویز را منتشر کند.

بنابراین Star Grounding با ایجاد حلقه‌های بزرگ، حساسیت مدار را نسبت به تداخل افزایش می‌دهد و حتی می‌تواند باعث انتشار بیشتر تداخل از خود مدار شود. این دقیقاً چیزی است که در طراحی RF نمی‌خواهیم.

مشکل چهارم کوپلینگ بین حلقه‌ها:

مشکل دیگر این است که حلقه‌های جریان مختلف می‌توانند روی یکدیگر اثر بگذارند. اگر دو حلقه در کنار یا داخل یکدیگر قرار گرفته باشند، می‌توانند رفتاری شبیه ترانسفورماتور پیدا کنند. در نتیجه انرژی از یک حلقه به حلقه دیگر منتقل می‌شود. این موضوع می‌تواند عملکرد مدار را در فرکانس‌های رادیویی به‌شدت کاهش دهد.

حالا همان مدار را با Ground Plane ببینیم:

اکنون دقیقاً همان اجزای مدار را روی یک PCB با Ground Plane قرار می‌دهیم. تفاوت بسیار مهمی ایجاد می‌شود.

• کاهش Cross Talk: در Ground Plane یک سطح وسیع برای عبور جریان برگشتی وجود دارد. Ground Plane امپدانس بسیار پایینی دارد و به همین دلیل Cross Talk به میزان زیادی کاهش پیدا می‌کند.
• Ground دیگر یک مسیر القایی باریک نیست: در این حالت Ground دیگر یک ترک باریک و بلند نیست. بلکه یک صفحه وسیع مسی است که امپدانس بسیار پایینی دارد. بنابراین اثر اندوکتانسی Ground نیز بسیار کمتر می‌شود.
• حلقه جریان بسیار کوچک می‌شود: این یکی از مهم‌ترین مزایای Ground Plane است. فرض کنید جریان اصلی از مسیر C14 حرکت می‌کند. جریان برگشتی می‌تواند دقیقاً در زیر همان مسیر، روی Ground Plane حرکت کند. بنابراین حلقه جریان بسیار کوچک می‌شود. در واقع اندازه این حلقه تقریباً توسط ضخامت دی‌الکتریک بین مسیر سیگنال و Ground Plane تعیین می‌شود.

چون حلقه جریان بسیار کوچک‌تر شده است:

• مدار انرژی تداخل بسیار کمتری منتشر می‌کند.
• تداخل بسیار کمتری نیز دریافت می‌کند.
• حلقه‌های مختلف نیز کمتر با یکدیگر کوپل می‌شوند.

بنابراین از تمام جهات، Ground Plane برای عملکرد RF راه‌حل بسیار بهتری است.

اما تکلیف مدارهای صوتی چیست؟

اینجا موضوع کمی جالب‌تر می‌شود. اگر در یک مدار صوتی فقط با فرکانس‌های پایین سروکار داشتیم، Star Grounding می‌توانست عملکرد بسیار خوبی داشته باشد. اما در دنیای واقعی، تجهیزات صوتی فقط با فرکانس صوتی سروکار ندارند.

برای مثال، اگر در حال ساخت یک مبدل D/A باشید، خروجی مبدل D/A مقدار قابل‌توجهی نویز RF نیز در خود دارد. بنابراین اگر تقویت‌کننده بعد از مبدل را فقط به عنوان یک تقویت‌کننده صوتی طراحی کنید و به عملکرد RF آن توجه نکنید، نمی‌تواند این فرکانس‌های بالاتر را به‌خوبی سرکوب کند.

حتی اگر یک Amplifier یا Pre-Amplifier بسازید و تصور کنید که چون مدار شما صوتی است، از مشکلات RF در امان هستید، باز هم یک مشکل وجود دارد:

این تجهیزات معمولاً با کابل‌های نسبتاً طولانی به تجهیزات دیگر متصل می‌شوند. مثلاً:

• کابل‌های Interconnect
• کابل‌های بلندگو

این کابل‌ها می‌توانند مانند آنتن‌های بسیار خوبی عمل کنند. آن‌ها انواع سیگنال‌های محیطی مانند Wi-Fi، سیگنال تلفن همراه و سایر امواج RF را دریافت می‌کنند. این انرژی وارد مدار شما می‌شود و ممکن است در داخل تقویت‌کننده Demodulate شود. در نتیجه یک سیگنال RF ناخواسته می‌تواند به یک سیگنال قابل‌شنیدن یا مؤلفه‌ای در باند صوتی تبدیل شود.

توضیح اصطلاح Interconnect:

بنابراین بهترین راه برای حذف یا حداقل کردن اثر این تداخل‌ها این است که مدارهای صوتی خود را مانند مدارهای RF طراحی کنید. یعنی از یک Ground Plane مناسب استفاده کنید. این کار بیشترین تأثیر را در کاهش این نوع تداخل خواهد داشت.

استفاده از چند Ground Plane برای بخش‌های دیجیتال و آنالوگ

ایده رایج این است که اگر مدار دارای بخش Digital و بخش Analog باشد، برای هرکدام یک Ground Plane جداگانه ایجاد کنیم. منطق پشت این ایده ظاهراً این است که نویز و تداخل نمی‌تواند از بخش دیجیتال به بخش آنالوگ منتقل شود. اما نویسنده در ادامه نشان می‌دهد که این روش دقیقاً به دلیل مسیر جریان برگشتی می‌تواند مشکلات جدی ایجاد کند.

در نگاه اول این ایده کاملاً منطقی به نظر می‌رسد. برای اینکه موضوع را ساده‌تر بررسی کنیم، فرض کنید در سمت چپ یک منبع سیگنال دیجیتال داریم و در سمت راست یک دریافت‌کننده آنالوگ. البته در واقعیت می‌توانید این دو را با هر نوع تراشه یا مداری که یک سیگنال را ارسال و دریافت می‌کند جایگزین کنید. این فقط یک مثال برای بررسی Layout است. حالا فرض کنیم در یک نقطه، این دو Ground Plane به یکدیگر متصل شده‌اند.

Layout این مدار چگونه خواهد بود؟

می‌توانیم چیزی شبیه شکل زیر داشته باشیم:

• سمت چپ Digital Domain
• سمت راست Analog Domain

و یک مقاومت صفر اهم که این دو Ground Plane را به یکدیگر متصل می‌کند. در نگاه اول همه‌چیز خوب به نظر می‌رسد. اما مشکل اصلی اینجاست:

فرض کنید یک سیگنال از سمت چپ حرکت می‌کند و به سمت راست می‌رود. جریان سیگنال از سمت دیجیتال وارد بخش آنالوگ می‌شود. حالا سؤال مهم این است:

چون Ground Planeها از یکدیگر جدا هستند، جریان برگشتی نمی‌تواند مستقیماً زیر مسیر سیگنال حرکت کند. در عوض مجبور است مسیر بسیار طولانی‌تری را طی کند. از مسیر برگشتی بالا برود، به مقاومت صفر اهم برسد، از مقاومت صفر اهم عبور کند، سپس دوباره تمام مسیر را برگردد. بنابراین چیزی که در شماتیک به شکل یک مقاومت صفر اهم دیده می‌شود، در دنیای واقعی دیگر یک اتصال ایده‌آل نیست.

مقاومت صفر اهم واقعاً صفر اهم نیست!

این قسمت بسیار مهم است. وقتی روی شماتیک می‌نویسیم 0 Ω منظور این نیست که این قطعه در تمام فرکانس‌ها یک اتصال ایده‌آل است. در DC، مقاومت آن بسیار کم است و می‌توانیم تقریباً آن را صفر اهم در نظر بگیریم. اما وقتی فرکانس بالا می‌رود، داستان تغییر می‌کند. مقاومت صفر اهم دارای: پایه‌های فلزی، بدنه، طول فیزیکی و مسیر رسانای داخلی است. تمام این ساختار فیزیکی دارای اندوکتانس انگلی است. یعنی به جای یک اتصال صفر اهم، عملاً یک امپدانس القایی داریم. در فرکانس بالا می‌تواند از دید مدار چیزی شبیه یک سلف کوچک باشد.

همان‌طور که گفتیم، اگر بین دو Ground Plane یک شکاف یا مانع ایجاد کنید، ممکن است یک جریان RF ناخواسته مجبور شود از مسیر دیگری عبور کند. این دقیقاً همان چیزی است که نمی‌خواهیم. در واقع، کاری که با جدا کردن دو Ground Plane می‌خواستید انجام دهید این بود که جلوی انتقال تداخل از یک ناحیه به ناحیه دیگر را بگیرید؛ اما نتیجه برعکس شده است. این تداخل اکنون مستقیماً وارد مسیر سیگنال شما می‌شود؛ یعنی دقیقاً جایی که کمترین تمایل را به حضور آن دارید.

تداخل Common-Mode:

بیایید کمی درباره Common-Mode Interference صحبت کنیم. تقریباً همیشه مقداری جریان Common-Mode در PCB شما وجود دارد و این جریان معمولاً از طریق Ground Plane حرکت می‌کند. فرض کنید یک سیگنال مزاحم Wi-Fi وارد Ground Plane شده و در حال حرکت روی آن است. وقتی این جریان به یک مانع یا شکاف در Ground Plane برسد، باید راه دیگری برای ادامه مسیر پیدا کند. از طرف دیگر، بین Ground و مسیر سیگنال شما همیشه مقداری ظرفیت انگلی (Parasitic Capacitance) وجود دارد.

بنابراین جریان RF می‌تواند از طریق همین ظرفیت انگلی از Ground به مسیر سیگنال کوپل شود. در نتیجه، تداخل Common-Mode که در حالت عادی باید روی Ground Plane باقی می‌ماند، اکنون مستقیماً به سیگنال شما نیز تزریق می‌شود. این یک مشکل بسیار جدی است و این یکی از دلایل اصلی است که نویسنده می‌گوید:

توضیح اصطلاح Common-Mode Interference:

توضیح اصطلاح Parasitic Capacitance:

چرا یک Ground Plane واحد مشکل ایجاد نمی‌کند؟

نویسنده برای توضیح این موضوع از برد اصلی یکی از جدیدترین مبدل‌های D/A رده‌بالای خودش استفاده می‌کند. این تصویر کل برد را نشان می‌دهد.

در مربع قرمز رنگ، بخش دیجیتال قرار دارد. در مربع‌های آبی و سیاه دیگری دو تراشه D/A قرار گرفته‌اند. یکی مربوط به کانال راست و دیگری مربوط به کانال چپ. بنابراین بخش‌های مختلف برد کاملاً از هم تفکیک فیزیکی شده‌اند.

در بخش‌های اول تا دوم این مجموعه نشان داده شد که:

بنابراین چون تمام مسیرهای مربوط به کانال چپ در یک ناحیه مشخص قرار دارند، جریان‌های برگشتی آن‌ها نیز در همان ناحیه باقی می‌مانند. همین موضوع برای کانال راست و بخش دیجیتال نیز صادق است. در نتیجه، جریان‌های برگشتی هر بخش عمدتاً در محدوده مربوط به همان بخش باقی می‌مانند و با بخش‌های دیگر تداخل نمی‌کنند. دقیقاً به همین دلیل است که این روش این‌قدر خوب عمل می‌کند.

اشتباه در Via Wall:

اکنون نویسنده سراغ یک اشتباه ظریف دیگر در Layout می‌رود که خودش نام آن را Via Wall گذاشته است. او تأکید می‌کند که این نام را خودش انتخاب کرده است. Stackup مورد علاقه نویسنده به این صورت است:

1. Top Layer: مسیرهای سیگنال
2. Inner 1: زمین
3. Inner 2: مسیرهای سیگنال
4. Bottom: زمین

مزیت این ساختار این است که اگر یک مسیر از Top به Inner 2 منتقل شود، جریان برگشتی آن می‌تواند همچنان روی همان Ground Plane باقی بماند. دلیلش این است که مسیر سیگنال و Ground Plane از نظر الکترومغناطیسی به یکدیگر کوپل هستند. از طرف دیگر، مسیرهای سیگنالی که روی Inner 2 قرار دارند، بین دو Ground Plane محصور می‌شوند. در نتیجه، مقدار بسیار کمتری از تداخل می‌تواند از این مسیرها به بیرون منتشر شود.

مشکل Via Wall چگونه ایجاد می‌شود؟

فرض کنید یک Data Bus دارید و باید آن را از Top Layer به Inner 2 منتقل کنید. برای این کار ممکن است اطراف محل عبور، تعداد زیادی Via قرار دهید.

در نگاه اول، این کار بسیار هوشمندانه به نظر می‌رسد. اما مشکل اینجاست که این Viaها می‌توانند Ground Plane را قطع کنند. حالا اگر سیگنال از این قسمت عبور کند، جریان برگشتی دیگر نمی‌تواند مستقیماً زیر مسیر سیگنال حرکت کند. جریان برگشتی مجبور می‌شود از یک طرف این مانع دور بزند، یا از طرف دیگر آن عبور کند. بنابراین مسیر برگشت بسیار طولانی‌تر می‌شود. نتیجه:

• حساسیت بیشتر نسبت به تداخل
• انتشار بیشتر تداخل
• کاهش Signal Integrity

خواهد بود.

توضیح اصطلاح Signal Integrity:

راه‌حل Via Wall چیست؟

راه‌حل ساده این است که Viaها را از یکدیگر دورتر قرار دهید. به این ترتیب، بین آن‌ها فضای کافی برای عبور پیوسته Ground Plane باقی می‌ماند.

حالا وقتی سیگنال از Top Layer به Inner 2 منتقل می‌شود، جریان برگشتی می‌تواند همچنان روی همان صفحه Ground باقی بماند. مسیر سیگنال از Top به Inner 2 می‌رود و ممکن است کمی جلوتر دوباره به Top برگردد.

اما جریان برگشتی مجبور نیست همان مسیر را دنبال کند؛ بلکه می‌تواند در همان Ground Plane باقی بماند. در نتیجه، مسیر جریان برگشتی بسیار کوتاه باقی می‌ماند. جریان فقط باید از کنار سوراخ Via عبور کند و تقریباً هم‌زمان با مسیر سیگنال حرکت کند. چنین ساختاری می‌تواند به‌راحتی برای پهنای‌باندهایی بیش از ۱۰ گیگاهرتز نیز مناسب باشد.

اگر Stackup پیچیده‌تر باشد چه؟

فرض کنید بخواهید سیگنال را در این ساختار از Top Layer به Bottom Layer منتقل کنید.

در اینجا دو Ground Plane دارید. هرچه Stackup پیچیده‌تر شود و Ground Planeهای بیشتری در لایه‌های مختلف داشته باشید، باید مطمئن شوید که این Ground Planeها با تعداد کافی Via به یکدیگر متصل شده‌اند. چرا؟

چون سیگنال ممکن است از یک قسمت برد عبور کند، اما جریان برگشتی در ابتدا روی یک Ground Plane قرار داشته باشد. وقتی سیگنال به لایه دیگری منتقل می‌شود، جریان برگشتی نیز باید بتواند از یک Ground Plane به Ground Plane دیگر منتقل شود. اگر چنین مسیری وجود نداشته باشد، جریان برگشتی نمی‌تواند سیگنال را به‌درستی دنبال کند.

بنابراین راه‌حل این است که در محل تغییر لایه، Ground Viaهای اضافی و نزدیک به هم قرار دهیم. این Viaها اجازه می‌دهند جریان برگشتی به‌راحتی از یک Ground Plane به Ground Plane دیگر منتقل شود.

اگر در قسمت دیگری از برد نیز لازم باشد سیگنال از Bottom دوباره به Top برگردد، باید همین ساختار را در آن قسمت نیز به‌صورت معکوس ایجاد کنیم.