اصول طراحی PCB در مدارهای RF (قسمت یازدهم)

در بخش یازدهم از سری مقالات «اصول طراحی PCB در مدارهای RF»، به سراغ یکی از چالش برانگیزترین و در عین حال رایج‌ترین اشتباهات در طراحی بردهای دیجیتال می‌رویم: نحوه چیدمان پایه‌های ماژول‌های دیجیتال (مانند ESP، AVR و Raspberry Pi).

بسیاری از طراحان به دلیل چیدمان نامناسب پین‌های تغذیه و زمین (Ground) در ماژول‌های آماده، ناخواسته حلقه‌های جریان بزرگی ایجاد می‌کنند که منجر به کاهش Signal Integrity و بروز تداخل‌های فرکانس بالا (EMI) می‌شود. در این مقاله، بررسی می‌کنیم که چگونه با استفاده از راهکارهای عملی، از خازن‌های بای‌پس (Bypass) گرفته تا استراتژی تخصیص پایه زمین (Ground Pin) در کنار هر سیگنال، می‌توانید این حلقه‌های جریان را به حداقل رسانده و عملکرد مدار خود را به‌طور چشمگیری بهبود دهید.

مشکل رایج بعدی: نحوه چیدمان پایه‌های ماژول‌های دیجیتال

مشکل بسیار رایج بعدی که می‌خواهم درباره آن صحبت کنم، مربوط به نحوه قرارگیری پایه‌ها در ماژول‌های دیجیتال است. برای مثال، فرض کنید از یک ماژول:

• ESP
• AVR
• یا Raspberry Pi

استفاده می‌کنید. معمولاً آرایش پایه‌های چنین ماژول‌هایی چیزی شبیه تصویر زیر است.

در سمت پایین چپ ماژول، یک پایهGround  قرار دارد و در قسمت دیگری، مثلاً در سمت بالا راست، یک پایهSupply  یا تغذیه قرار گرفته است. احتمالاً تا اینجا دیگر متوجه شده‌اید مشکل کجاست.

فرض کنید یک سیگنال از این پایه خارج می‌شود و به یک Port  روی برد اصلی می‌رود. جریان سیگنال از ماژول خارج شده و وارد برد اصلی می‌شود. اما جریان برگشتی باید چه کار کند؟ باید تمام مسیر را طی کند تا خودش را به آن پایه Ground برساند و سپس دوباره برگردد. در نتیجه، مسیر رفت و برگشت جریان یک حلقه بسیار بزرگ ایجاد می‌کند.

چرا این حلقه بزرگ بد است؟

فرض کنید ماژول روی برد اصلی نصب شده است. مسیر سیگنال از یک پایه ماژول خارج می‌شود و وارد PCB اصلی می‌شود، اما نزدیک‌ترین مسیر Ground در کنار آن قرار ندارد. در نتیجه جریان برگشتی مجبور است مسیر طولانی‌ای را طی کند.

این یعنی حلقه جریان بسیار بزرگ است و همان‌طور که در بخش‌های قبلی گفتیم، یک حلقه بزرگ از دید فرکانس بالا تقریباً مثل یک سلف بزرگ رفتار می‌کند. نویسنده می‌گوید نتیجه چنین طراحی‌ای این موارد است:

• حلقه‌های بزرگ
• اندوکتانس بسیار زیاد در مسیر Ground
• انتشار تداخل
• دریافت تداخل
• کاهش Signal Integrity

و در مجموع، عملکرد نامطلوب مدار. به تعبیر خود نویسنده، در چنین شرایطی روز بدی دارید..!

اگر از ماژول آماده استفاده کنیم چه؟

اینجا یک نکته مهم وجود دارد. نویسنده می‌گوید اگر این ماژول‌ها را آماده خریداری کرده باشید، معمولاً کار زیادی نمی‌توانید برای اصلاح آرایش پایه‌های خود ماژول انجام دهید. چون طراحی داخلی ماژول از قبل انجام شده است. اما اگر خودتان ماژول را طراحی کنید، کاملاً آزادی دارید که این مشکل را از ابتدا برطرف کنید.

یک راه‌حل هوشمندانه: استفاده از یک پایه VCC

حالا نویسنده یک راه‌حل نسبتاً هوشمندانه ارائه می‌کند. او می‌گوید می‌توانیم از یکVCC Pin سوءاستفاده کنیم!

منظورش این نیست که پایه VCC را به شکل غیرصحیح به کار ببریم؛ بلکه می‌توانیم از مسیر تغذیه برای ایجاد یک مسیر برگشت AC اضافی استفاده کنیم. فرض کنید روی ماژول، درست در نزدیکی  Connector، یک خازن قرار دهیم. این Connector همان کانکتوری است که این پایه سیگنال را بین برد اصلی  و ماژول متصل می‌کند.

خازن را کجا قرار دهیم؟ فرض کنید یک خازن 100nF داریم. این خازن را باید تا حد امکان نزدیک Connector قرار دهیم.

یک طرف خازن را به Ground متصل می‌کنیم. همین کار را در طرف دیگر اتصال، یعنی روی ماژول، نیز انجام می‌دهیم. بنابراین در نهایت دو خازن داریم که در دو طرف Connector قرار گرفته‌اند.

حالا چه اتفاقی برای جریان برگشتی می‌افتد؟

این قسمت بسیار مهم است. فرض کنیم جریان RF یا AC روی Ground Plane حرکت می‌کند. در حالت عادی، اگر بخواهیم جریان از برد اصلی وارد ماژول شود و دوباره به Ground برگردد، مسیر بسیار بزرگی خواهد داشت. اما حالا یک خازن در نزدیکی Connector قرار داده‌ایم. جریان می‌تواند روی Ground Plane حرکت کند، از طریق خازن به سمت VCC بالا برود، از طریق Connector وارد ماژول شود، از خازن دوم عبور کند، دوباره به Ground Plane برگردد. بنابراین این دو خازن یک مسیر برگشت اضافی برای جریان AC ایجاد می‌کنند.

چرا خازن می‌تواند چنین کاری انجام دهد؟

چون برای سیگنال‌های AC، خازن می‌تواند امپدانس بسیار پایینی ایجاد کند؛ مخصوصاً اگر مقدار خازن مناسب باشد و در فاصله بسیار کمی از مسیر موردنظر قرار گرفته باشد. برای یک خازن 100nF، در فرکانس‌های نسبتاً بالا، این مسیر می‌تواند برای مؤلفه‌های AC و RF بسیار کم‌امپدانس باشد. البته خود خازن و Layout اطراف آن نیز دارای پارازیت هستند؛ بنابراین در فرکانس‌های بسیار بالا نمی‌توان آن را یک خازن ایده‌آل در نظر گرفت.

توضیح اصطلاح Decoupling / Bypass Capacitor: خازنی که برای فراهم کردن یک مسیر کم‌امپدانس برای مؤلفه‌های AC و نویز تغذیه استفاده می‌شود، معمولاً Bypass Capacitor یا Decoupling Capacitor  نامیده می‌شود. قرار دادن آن نزدیک پایه تغذیه یا Connector باعث می‌شود جریان‌های فرکانس بالا مجبور نباشند مسیر طولانی‌ای را روی PCB طی کنند.

این راه‌حل چقدر مؤثر است؟

نویسنده می‌گوید این روش واقعاً مشکل را نصف می‌کند. چون اکنون علاوه بر مسیر Ground اصلی، یک مسیر برگشت اضافی نیز از طریق:

Ground → Capacitor → VCC → Connector → Capacitor → Ground

داریم. اما نویسنده بلافاصله تأکید می‌کند که این بهترین راه‌حل نیست.

راه‌حل بهتر:

تعداد Ground Pinها را افزایش دهید. یک روش بهتر این است که از ابتدا تعداد بیشتری Ground Pin در Connector یا ماژول در نظر بگیریم.

 نویسنده می‌گوید دقیقاً همین کار را در همان FPGA Board که در بخش های قبلی نشان داده بود، در نظر گرفته شده است. بردی که خودش طراحی کرده بود، تداخل بسیار کمتری داشت. یکی از دلایل این عملکرد بهتر، همین استفاده از تعداد بیشتر پایه‌های Ground بود. پس یک قانون ساده داریم:

“هرچه Ground Pin بیشتر باشد، بهتر است.”

راه‌حل نهایی و ایده‌آل

اما نویسنده یک راه‌حل حتی بهتر هم نشان می‌دهد. در تصویر سمت راست، برای هر Signal Pin یک Ground Pin اختصاصی در نظر گرفته شده است.

یعنی اگر یک سیگنال از Connector خارج شود، دقیقاً در کنار آن یک پایه Ground نیز وجود دارد. برای سیگنال بعدی نیز یک Ground Pin دیگر داریم. به این ترتیب، هر مسیر سیگنال تقریباً بلافاصله در کنار خودش مسیر برگشت Ground را دارد.

چرا این آرایش بسیار خوب است؟ چون جریان برگشتی دیگر مجبور نیست مسیر طولانی‌ای را در PCB طی کند.

مسیر رفت:

Signal Pin → Signal Trace

و مسیر برگشت:

Ground Pin → Ground Plane

در فاصله بسیار کمی از یکدیگر قرار دارند. در نتیجه:

• سطح حلقه جریان بسیار کوچک می‌شود.
• اندوکتانس مسیر برگشتی کاهش پیدا می‌کند.
• انتشار EMI کاهش پیدا می‌کند.
• دریافت EMI کاهش پیدا می‌کند.
• Signal Integrity به بهترین وضعیت نزدیک می‌شود.

نویسنده این را راه‌حل نهایی معرفی می‌کند:

به هر Signal Pin، یک Ground Pin اختصاص دهید. به این ترتیب مطمئن می‌شوید مسیر برگشت Ground همیشه بسیار کوتاه است و در نتیجه Signal Integrity  بسیار خوب و حداقل تداخل را خواهید داشت.

در نهایت، به یاد داشته باشید که رعایت این نکات ظریف در چیدمان لایه‌ها، تفاوت بین یک مدار معمولی و یک مدار با عملکرد بی‌نقص را رقم می‌زند. اگر در مسیر یادگیری این مباحث هستید و یا هنوز در درک مفاهیم اولیه سوال دارید که برد PCB چیست؟، مطالعه مقالات پایه ما در این زمینه می‌تواند به شما کمک کند تا با پیش‌زمینه‌ای قوی‌تر، چالش‌های طراحی بردهای فرکانس بالا را پشت سر بگذارید.