اصول طراحی PCB در مدارهای RF (قسمت سوم)

سه قانون ساده برای طراحی بی‌نقص PCB

آقای هانس روزنبرگ می‎گوید که در طول ۳۰ سال تجربه طراحی PCB، به این نتیجه رسیده ‌است که سیستم اتصال زمین (Grounding) مهم‌ترین بخش هر طراحی PCB و در عین حال، بزرگ‌ترین منشأ بروز مشکلات است. در این بخش نشان خواهم داد که چگونه تنها با سه قانون بسیار ساده می‌توانید تقریباً از تمام این مشکلات جلوگیری کنید.

برای اثبات این موضوع، دو برد آزمایشی اختصاصی طراحی کرده‌ام تا تمام مشکلات احتمالی را به‌صورت عملی نشان دهم؛ بنابراین لازم نیست خودتان این اشتباهات را تجربه کنید. پس بیایید شروع کنیم.

مدار مورد آزمایش

مداری که در این بخش بررسی خواهیم کرد، یک فیلتر بیضوی مرتبه نهم (Ninth-Order Elliptic Filter) است. این فیلتر برای امپدانس ۵۰ اهم طراحی شده و پهنای باند آن تقریباً ۳۰ مگاهرتز است. در دو طرف مدار، دو کانکتور SMA  قرار گرفته‌اند. در مسیر سیگنال نیز چهار رزوناتور موازی به صورت سری قرار دارند.

این چهار رزوناتور در فرکانس تشدید خود دارای امپدانس بسیار بزرگی می‌شوند و در نتیجه چهار فرورفتگی بسیار عمیق (Notch) در پاسخ فرکانسی فیلتر ایجاد می‌کنند.

در تصویر زیر، ابتدا نتیجه شبیه‌سازی ایده‌آل این فیلتر را مشاهده می‌کنید که این چهار فرورفتگی عمیق کاملاً مشخص هستند. البته در عمل هرگز نمی‌توان دقیقاً به این پاسخ رسید، زیرا قطعات واقعی هیچ‌گاه ایده‌آل نیستند. همچنین مشاهده می‌کنید که پنج خازن نیز به زمین متصل شده‌اند که در شکل‌گیری پاسخ پایین‌گذر کلی فیلتر نقش دارند.

توضیح اصطلاح Elliptic Filter (فیلتر بیضوی):

فیلتر بیضوی Elliptic یا Cauer Filter یکی از انواع فیلترهای آنالوگ است که برای دستیابی به شیب قطع بسیار تند طراحی می‌شود. این فیلتر در هر دو ناحیه عبور (Passband) و توقف (Stopband) دارای ریپل است، اما در مقابل، نسبت به سایر انواع فیلترها، سریع‌تر از باند عبور به باند توقف می‌رسد. به همین دلیل در مدارهای RF کاربرد فراوانی دارد.

توضیح اصطلاح Resonator (رزوناتور):

رزوناتور مداری است که در یک فرکانس مشخص انرژی الکتریکی را بین میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی مبادله می‌کند. در فیلترهای RF از رزوناتورها برای ایجاد فرکانس‌های تشدید و شکل‌دهی پاسخ فرکانسی استفاده می‌شود.

بدترین Layout ممکن

ابتدا بدترین Layout ممکن را بررسی می‌کنیم. در این طراحی چند ایراد اساسی وجود دارد.

• اولین ایراد این است که برای اتصال زمین از ترک‌های بسیار باریک استفاده شده است. در نتیجه امپدانس مسیر Ground زیاد خواهد بود و اتصال زمین کیفیت مطلوبی نخواهد داشت.
• علاوه بر این، جریان‌های برگشتی که از طریق خازن‌ها به زمین بازمی‌گردند، مجبور هستند بخشی از مسیر را به صورت مشترک طی کنند. به همین دلیل این مسیرهای مشترک باعث ایجاد Cross Talk بین بخش‌های مختلف مدار خواهند شد.
• نکته دیگر این است که اگرچه در لایه زیرین برد یک Ground Plane وجود دارد، اما در این طراحی عملاً از آن استفاده نشده است. در نتیجه، وجود Ground Plane هیچ کمکی به عملکرد مدار نمی‌کند.
• اشکال مهم دیگری نیز در این طراحی وجود دارد. اگر به تصویر واقعی برد نگاه کنید، مشاهده می‌کنید که میدان مغناطیسی ایجادشده توسط این سلف‌ها تقریباً در یک جهت قرار دارد. در نتیجه میدان مغناطیسی یک سلف، سلف مجاور را نیز تحت تأثیر قرار می‌دهد. به عبارت دیگر، این سلف‌ها به یکدیگر کوپل مغناطیسی شده‌اند و این نیز یکی دیگر از مشکلات جدی این Layout است.

توضیح اصطلاح Cross Talk (هم‌شنوی یا تداخل متقابل):

Cross Talk  زمانی رخ می‌دهد که سیگنال یک مسیر، به دلیل اشتراک مسیر جریان یا کوپلینگ الکترومغناطیسی، وارد مسیر دیگری شود. نتیجه آن ایجاد نویز، اعوجاج یا تغییر پاسخ مدار است. در مدارهای RF حتی چند میلی‌متر مسیر مشترک نیز می‌تواند Cross Talk قابل توجهی ایجاد کند.

توضیح اصطلاح Inductive Coupling (کوپلینگ القایی):

وقتی میدان مغناطیسی ایجادشده توسط یک سلف یا مسیر حامل جریان، در سلف یا مسیر مجاور ولتاژ یا جریان القا کند، به این پدیده کوپلینگ القایی گفته می‌شود. این اثر در طراحی RF و منابع تغذیه سوئیچینگ اهمیت زیادی دارد و معمولاً با افزایش فاصله یا چرخاندن سلف‌ها نسبت به یکدیگر کاهش داده می‌شود.

مقایسه پاسخ فرکانسی

اگر نمودار پاسخ فرکانسی را نگاه کنیم:

• منحنی قرمز مربوط به همین Layout ضعیف است.
• منحنی بنفش پاسخ ایده‌آل شبیه‌سازی است.
• منحنی آبی نتیجه Layout بهینه‌ای است که با استفاده از سه قانون معرفی‌شده در این آموزش به دست آمده است.

همان‌طور که مشاهده می‌شود، اختلاف بسیار زیادی بین بدترین Layout و بهترین Layout وجود دارد.

آشنایی با Layer Stackup و Via

اکنون باید دربارهLayer Stackup  و Viaصحبت کنیم. Layer Stackup در واقع نمای مقطع عرضی PCB است. در یک برد دولایه استاندارد با ضخامت حدود 1.6 میلی‌متر، ساختار به این صورت است:

1. یک لایه مس
2. یک لایه عایق معمولاً FR4
3. یک لایه مس در سمت دیگر برد

اما در یک برد چهارلایه، چهار لایه مس وجود دارد که توسط لایه‌های مختلف عایق از یکدیگر جدا شده‌اند.

در این ساختار، ضخامت لایه‌های عایق یکسان نیست. برای مثال، فاصله بین لایه اول و دوم بسیار کم است، در حالی که بین لایه دوم و سوم یک هسته (Core) ضخیم‌تر قرار دارد.

توضیح اصطلاح Core و  Prepreg:

در  PCBهای چندلایه،Core  به صفحه سخت FR4 با لایه‌های مس در دو طرف آن گفته می‌شود. اماPrepreg  لایه‌ای از الیاف شیشه آغشته به رزین نیمه‌پخت است که هنگام پرس شدن برد، لایه‌های مختلف را به یکدیگر متصل می‌کند. ضخامت این دو بخش، فاصله بین لایه‌ها و در نتیجه امپدانس خطوط انتقال را تعیین می‌کند.

در این شکل همچنین یکVia نیز مشاهده می‌کنید.Via تمام لایه‌های برد را در یک نقطه به یکدیگر متصل می‌کند. البته فناوری‌های پیشرفته‌تری نیز وجود دارند که تنها برخی از لایه‌ها را به هم متصل می‌کنند؛ برای مثال:

• لایه ۱ به ۲
• یا لایه‌های ۱، ۲ و ۳

اما هزینه ساخت چنین بردهایی بسیار بیشتر است. به همین دلیل، نویسنده ترجیح می‌دهد تا حد امکان از آن‌ها استفاده نکند.

اندوکتانس Via به Layer Stackup وابسته است

اکنون به یکی از مهم‌ترین نکات این بخش می‌رسیم. امپدانس Via به شدت به ساختار Layer Stackup وابسته است.

در نمودار نشان داده شده، اندوکتانس Via بر حسب طول آن رسم شده است.

برای یک برد دولایه، طول Via تقریباً برابر ضخامت برد، یعنی حدود 1.6 میلی‌متر است. در این حالت، اندوکتانس Via تقریباً ۵۰۰ پیکوهانری خواهد بود.

اما در یک برد چهارلایه، اگر Ground Plane روی لایه دوم قرار گیرد، Via فقط لازم است تا لایه دوم امتداد پیدا کند. در برد مورد استفاده این مثال عملی، این فاصله تنها حدود 0.19 میلی‌متر است. در نتیجه اندوکتانس Via به حدود ۱۲ پیکوهانری کاهش پیدا می‌کند.

این اختلاف فوق‌العاده زیاد است. به بیان دیگر:

• برد دولایه: حدود 500pH
• برد چهارلایه: حدود 12pH

یعنی بیش از ۴۰ برابر کاهش اندوکتانس. این اختلاف، در اندازه‌گیری‌های عملی بعدی کاملاً خود را نشان خواهد داد.