اشتباهات واقعی در طراحی Ground PCB که در پروژه‌های واقعی رخ داده‌اند - قسمت دوم

مثال سوم: استفاده اشتباه از چند Ground Plane و ایجاد مشکل در مسیر صوتی (Audio Breakthrough)

مثال بعدی مربوط به یک کیت خودرو (Car Kit) است که مشکل عبور نویز به بخش صوتی داشت. در این سیستم، یک PCB وجود دارد که شامل الکترونیک کیت خودرو است. همچنین یک سیم بلند ( Balanced Wire) که به سمت میکروفون می‌رود، وجود دارد.

اشتباهی که در این طراحی انجام شده، نقض این قانون است:

توضیح اصطلاح Balanced Wire (سیم بالانس‌شده)

مشکل Audio Breakthrough چگونه اندازه‌گیری می‌شود؟

برای آزمایش مشکل عبور نویز صوتی، یک تداخل بسیار قوی به کل سیستم اعمال می‌شود. این سیستم شامل PCB کیت خودرو، میکروفون و سیم‌های ارتباطی بین آن‌ها است. این تداخل بسیار قوی توسط سیم بلند دریافت می‌شود. سپس وارد PCB کیت خودرو شده و توسط مدار صوتی Demodulate می‌شود. نتیجه، شنیدن صدای ناخواسته یا نویز در خروجی صوتی است.

روش معمول برای حل این مشکل، استفاده از فیلتر است. در تصویر زیر ورودی میکروفون بالانس‌شده دیده می‌شود. ورودی IC صوتی نیز وجود دارد. در فاصله بین این دو بخش، تعدادی خازن کوچک قرار داده می‌شود. این خازن‌ها عملاً مسیر RF را اتصال کوتاه می‌کنند و اجازه نمی‌دهند انرژی فرکانس بالا وارد مدار صوتی شود.

در حالت عادی، مدار فوق باید مشکل را حل کند. اما یکی از همکاران نویسنده، با همین برد وارد دفتر او شد و گفت:

نویسنده بلافاصله متوجه شد که این برد از چند Ground Plane مجزا استفاده کرده است.

طراحی اشتباه Ground Plane جداگانه

روش طراحی این برد به این صورت بود.

طراح مشکل نویز را می‌شناخت. او فکر کرده بود اگر مسیر نویز را روی یک Ground Plane جدا نگه دارم، این نویز نمی‌تواند وارد Ground اصلی شود. در نتیجه، یک صفحه زمین جداگانه ایجاد کرده بود. سپس محل اتصال این Ground جداگانه به Ground اصلی را در نقطه‌ای قرار داده بود که تا حد امکان از سیم‌ها دور باشد. تداخل با سیم‌های ورودی کم شود. در نگاه اول، این ایده منطقی به نظر می‌رسد. اما در عمل، دقیقاً برعکس عمل می‌کند.

مشکل واقعی کجاست؟

بیایید ببینیم واقعاً چه اتفاقی افتاده است. دو خازنی که در مدار قرار داده شده‌اند به Ground متصل هستند. اما برای اینکه جریان برگشتی Ground از محل Ground صوتی به محل Ground ورودی سیم‌ها برسد، مجبور است یک مسیر طولانی را طی کند. یعنی جریان برگشتی دیگر مستقیماً زیر مسیر سیگنال حرکت نمی‌کند، بلکه مجبور است یک مسیر انحرافی طی کند.

این مسیر اضافی چند بخش اندوکتانس ایجاد می‌کند:

• یک اندوکتانس در مسیر Via خازن C3
• یک اندوکتانس در مسیر Via خازن C2
• یک اندوکتانس در مسیر زمین خازن‌ها تا زمین صوتی

در مجموع، یک مسیر Ground با اندوکتانس قابل توجه ساخته شده است.

راه‌حل بسیار ساده

اگر مقاله‌های قبلی را دیده باشید، راه‌حل کاملاً مشخص است. کافی است در محل اتصال این دو Ground یک اتصال مستقیم مسی (Solder Blob) ایجاد کنیم.

اصلاح این مشکل تقریباً یک دقیقه زمان برد. او مقداری از پوشش رنگی زیر برد را تراشید. خوشبختانه Ground Plane در لایه Bottom وجود داشت. بنابراین به‌راحتی توانست آن نقطه را اتصال کوتاه کند و یک Solder Blob ایجاد کند.

چرا این اصلاح مشکل را حل کرد؟

زیرا اکنون جریان برگشتی می‌تواند مستقیماً در زیر مسیرهای سیگنال حرکت کند.

مزیت بزرگ این کار این است که اگر مسیر جریان را به‌صورت سه‌بعدی نگاه کنیم، سطح حلقه جریان به کوچک‌ترین مقدار ممکن می‌رسد و همان‌طور که در قسمت‌های قبلی گفته شد:

به همین دلیل Ground Planeها در حل چنین مشکلاتی بسیار مؤثر هستند.

نویسنده این اصلاح را انجام داد. همکارش دوباره اندازه‌گیری را تکرار کرد و مشکل کاملاً برطرف شد.

نتیجه مهم

نویسنده (Hans Rosenberg) تأکید می‌کند که یک Ground Plane بدون مانع، به این معنی است که نباید چند Ground Plane جداگانه داشته باشید. همیشه باید یک Ground Plane اصلی و یکپارچه داشته باشید.

او می‌گوید در تمام ۳۰ سال فعالیت خود در الکترونیک، هیچ‌وقت ندیده است که استفاده از چند Ground Plane جداگانه باعث بهبود عملکرد شود. بنابراین این نکته را همیشه به یاد داشته باشید.

مثال چهارم: برد کنترل یک رادیوتلسکوپ بسیار حساس

اکنون به یک نمونه بسیار قدیمی‌تر می‌رسیم؛ مربوط به ابتدای دوران کاری نویسنده است. او این برد را در سال ۱۹۹۹ طراحی کرده است. این برد، یک Control Board برای سیستم WSRT بوده است. نویسنده می‌گوید در آن زمان، این سیستم یکی از حساس‌ترین گیرنده‌های رادیویی در جهان بوده است. اما داستان از اینجا شروع می‌شود که برد اصلی توسط یک کارآموز طراحی شده بود و یک PCB دولایه بود. اگر به تصویر برد نگاه کنید، تعداد بسیار زیادی سیم و مسیر از قسمت‌های مختلف برد عبور کرده‌اند.

در بسیاری از نقاط نیز مسیرها مجبور شده‌اند برای ادامه مسیر به لایه دیگر بروند. وقتی یک برد با این حجم از مسیرهای مختلف را به‌صورت دولایه طراحی می‌کنید، عملاً امکان ایجاد یک سیستم Grounding مناسب بسیار کم می‌شود. در این برد نیز دقیقاً همین اتفاق افتاده بود. مسیرهای زیادی مجبور بودند از روی صفحه عبور کنند و بنابراین امکان ایجاد یک Ground Plane یکپارچه و بدون مانع وجود نداشت.

وقتی این برد را روشن کردند، اتفاق بسیار بدی افتاد. تقریباً کل رادیوتلسکوپ با تداخل و نویز شدید مواجه شد. یعنی برد جدید نه‌تنها خودش عملکرد مناسبی نداشت، بلکه به دلیل طراحی نامناسب Grounding، باعث ایجاد اختلال در کل سیستم حساس رادیو تلسکوپ شده بود. به همین دلیل از نویسنده خواستند مشکل را برطرف کند.

راه‌حل: تبدیل برد دولایه به چهارلایه

این اتفاق، اولین تجربه نویسنده در طراحی یک PCB چهارلایه بود. او تصمیم گرفت برد را از ابتدا به‌صورت چهارلایه طراحی کند.

در طراحی جدید:

• یک Ground Plane مناسب در نظر گرفته شد.
• Ground Plane کاملاً یکپارچه و بدون مانع بود.
• فقط یک Ground Plane اصلی وجود داشت.
• برای هر اتصال Ground نیز Via اختصاصی قرار داده شد.

سپس برد جدید را جایگزین کردند و دوباره سیستم را روشن کردند. نتیجه بسیار ساده بود! تمام مشکلات برطرف شدند.

نویسنده در پایان این مثال تأکید می‌کند که این تجربه نشان می‌دهد حل بسیاری از مشکلات Grounding در عمل می‌تواند بسیار ساده باشد؛ به شرط آنکه اصول پایه‌ای طراحی PCB از ابتدا به‌درستی رعایت شوند.

مثال پنجم: برد FPGA برای یک مبدل D/A پیشرفته

اما برای مثال بعدی، نویسنده سراغ یک برد FPGA سفارشی می‌رود که خودش برای یک مبدل D/A رده‌بالا طراحی کرده است. در سمت راست تصویر، محصول نهایی یعنی مبدل D/A را می‌بینیم. در سمت چپ نیز برد اصلی و برد FPGA که نویسنده طراحی کرده، قرار دارند.

نویسنده در ابتدا قصد داشت از یک برد آماده (Off-the-Shelf Board) استفاده کند. او تصور می‌کرد می‌تواند با همان برد کار را انجام دهد، اما متأسفانه این‌طور نشد. این برد دارای مشکلات اساسی در طراحی بود که نویسنده قصد دارد آن‌ها را در بخش‌های بعدی با جزئیات بیشتری بررسی کند.

در تصویر، طیف خروجی صوتی را مشاهده می‌کنید:

یک بار با استفاده از برد آماده (طیف بالا) و یک بار با استفاده از بردی که نویسنده خودش طراحی کرده است (طیف پایین).

تفاوت بین این دو بسیار زیاد است. نویسنده می‌گوید تقریباً تمام این تفاوت‌ها ناشی از Layout غیربهینه برد بوده است.

توضیح اصطلاح Off-the-Shelf

چرا برد آماده برای این کاربرد مناسب نبود؟

نویسنده توضیح می‌دهد که نمی‌توان انتظار داشت چنین بردی عملکرد بسیار تمیزی داشته باشد. دلیلش این است که این بردها اساساً برای کاربردهای Digital طراحی شده‌اند، نه برای کاربردهایی مانند آنالوگ با Dynamic Range بالا، RF یا Audio با کیفیت بسیار بالا.

نویسنده سپس برد FPGA اختصاصی خودش را طراحی کرد. او می‌گوید طراحی این برد بسیار دشوارتر از چیزی بود که در ابتدا تصور می‌کرد. این برد را مثال بسیار خوبی برای دوره آموزشی خودش می‌داند، زیرا نشان می‌دهد چگونه می‌توان چنین محصولی را با دقت بالا طراحی کرد.

چرا طراحی آن دشوار بود؟

نویسنده می‌گوید اگر از یک PCB شش یا هشت‌لایه استفاده می‌کرد و امکاناتی مانند Buried Via و Microvia در اختیار داشت، طراحی این برد بسیار ساده‌تر می‌شد. اما استفاده از چنین فناوری‌هایی هزینه ساخت PCB را به‌شدت افزایش می‌دهد.

به همین دلیل، نویسنده تصمیم گرفت طراحی را با یک فرآیند استاندارد و نسبتاً اقتصادی، یعنی PCB چهارلایه استاندارد انجام دهد. در این شرایط رساندن مسیرهای تغذیه (Power Routing) و مسیرهای Ground (Ground Routing) به یک وضعیت واقعاً مناسب، بسیار دشوار است. اما نتیجه نهایی نشان می‌دهد که این کار ارزشش را داشته است.

توضیح اصطلاح Buried Via

توضیح اصطلاح Microvia

نتیجه اندازه‌گیری

در تصویر زیر، طیف کامل خروجی را مشاهده می‌کنیم.

طیف خروجی به شکل فوق‌العاده‌ای تمیز است. البته چند هارمونیک در فرکانس ۵۰ هرتز دیده می‌شود. تقریباً نمی‌توان از شر این هارمونیک‌ها خلاص شد، زیرا شبکه برق در فرکانس ۵۰ هرتز کار می‌کند و این فرکانس تقریباً همه‌جا وجود دارد. مقدار کمی نیز اعوجاج مشاهده می‌شود. اما به جز این موارد، طیف خروجی تقریباً کاملاً تمیز است.

این مثال به‌خوبی نشان می‌دهد که اگر یک PCB را به‌طور اختصاصی برای عملکرد مناسب Ground و RF طراحی کنید، تفاوت بسیار بزرگی در عملکرد نهایی ایجاد خواهد شد. نکته جالب این است که محصول موردنظر در نهایت یک محصول صوتی با فرکانس‌های نسبتاً پایین است. با این حال، حتی در چنین محصولی نیز طراحی صحیح Ground و Layout تأثیر بسیار بزرگی بر عملکرد نهایی دارد.