اشتباهات واقعی در طراحی Ground PCB که در پروژه‌های واقعی رخ داده‌اند

در این بخش از مجموعه اصول طراحی PCB در مدارهای RF، سراغ چند نمونه واقعی از اشتباهات طراحی سیستم زمین یا Grounding می‌رویم؛ اشتباهاتی که در پروژه‌های واقعی رخ داده‌اند و در بعضی موارد هزینه و تأخیر قابل‌توجهی ایجاد کرده‌اند. نکته مهم این است که بسیاری از این مشکلات با رعایت چند اصل ساده در طراحی PCB قابل پیشگیری هستند.

چرا Grounding این‌قدر مهم است؟

برای درک اهمیت Grounding، یک ساختمان بلند را تصور کنید که قرار است روی زمین باتلاقی ساخته شود. قبل از هر چیز باید یک فونداسیون محکم تا رسیدن به بستر مناسب ایجاد شود. در الکترونیک نیز Grounding دقیقاً چنین نقشی دارد.

بنابراین کیفیت طراحی Ground می‌تواند مستقیماً روی نویز، تداخل، حساسیت گیرنده و عملکرد کلی مدار RF اثر بگذارد.

مثال اول: برد رادیوی خودرو

اولین مثال مربوط به یک IC رادیوی خودرو روی یک برد Application است. این IC در داخل خود چند بخش مختلف دارد:

• بخش RF Front End
• بخش‌های دیجیتال
• بخش‌های آنالوگ

 

یکی از مهم‌ترین اصولی که در این برد رعایت نشده، وجود یک Ground Plane پیوسته و مناسب است. در واقع برد اصلی عملاً Ground Plane مؤثری ندارد. تصویر زیر برد واقعی را نشان می‌دهد.

در نسخه اصلی، نوار مسی موجود در تصویر وجود نداشت. برای بررسی اثر Ground Plane، بعداً یک نوار مسی (Copper Tape) به‌صورت موقت به برد اضافه شد تا مشخص شود آیا مشکل عملکرد مدار با بهبود مسیر زمین برطرف می‌شود یا خیر.

نتایج اندازه‌گیری برد بدون Ground Plane و بردی که به کمک نوار مسی برای آن یک Ground Plane موقت ایجاد شده بود، در نمودار زیر قابل مشاهده است.

SINAD چیست؟

در این آزمایش با یک گیرنده رادیوی FM روبه‌رو هستیم. محور افقی نمودار، فرکانس تنظیم رادیو در بازه حدود ۷۶ تا ۹۰ مگاهرتز را نشان می‌دهد و محور عمودی پارامتری به نام SINAD را نمایش می‌دهد.

SINAD یکی از معیارهای ارزیابی کیفیت سیگنال دریافتی است و نسبت سیگنال مفید به نویز و اعوجاج را نشان می‌دهد. هرچه مقدار SINAD بالاتر باشد، کیفیت دریافت بهتر است.

در این آزمایش، مقدار مطلوب SINAD حدود ۴۳ تا ۴۴ دسی‌بل است؛ اما در برد اولیه، مقدار SINAD در بعضی فرکانس‌ها تقریباً به صفر می‌رسد. این موضوع نشان می‌دهد که در آن نقاط، نویز و تداخل بخش قابل‌توجهی از سیگنال دریافتی را تحت‌تأثیر قرار داده‌اند.

علت مشکل چیست؟

بخش دیجیتال مدار دائماً در حال سوئیچ‌کردن است و هارمونیک‌های ناشی از فرکانس‌های سوئیچینگ می‌توانند وارد بخش حساس RF شوند. اگر Ground Plane مناسبی وجود نداشته باشد، جریان‌های برگشتی مسیر کم‌امپدانس و مناسبی ندارند و احتمال کوپل‌شدن نویز به ورودی گیرنده افزایش پیدا می‌کند.

نتیجه می‌تواند شامل موارد زیر باشد:

نتیجه کاهشSINAD ، کاهش کیفیت دریافت رادیو، افزایش تداخل خواهد بود.

در نمودار، منحنی قرمز مربوط به برد اصلی و منحنی مشکی مربوط به حالتی است که Ground Plane موقت با نوار مسی اضافه شده است. همان‌طور که دیده می‌شود، همین تغییر ساده بهبود بسیار زیادی ایجاد کرده است.

طراحی مجدد برد

واضح است که استفاده از نوار مسی روی تمام بردهای تولیدی راه‌حل مناسبی نیست. بنابراین برد به‌صورت اصولی و در قالب یک PCB دولایه بازطراحی شد تا قوانین طراحی RF و Grounding به‌درستی رعایت شوند.

حالا می‌توان عملکرد برد اصلاح‌شده با نوار مسی را با برد دولایه جدید مقایسه کرد. در نمودار بعدی، علامت‌های زرد مربوط به برد اصلی با اصلاح موقت نوار مسی و علامت‌های بنفش مربوط به برد دولایه جدید هستند.

در تمام فرکانس‌ها عملکرد برد جدید بهتر شده است. بااین‌حال، نکته مهم این است که بزرگ‌ترین جهش عملکرد تنها با ایجاد یک Ground Plane مناسب به دست آمد. این مثال به‌خوبی نشان می‌دهد که طراحی صحیح صفحه زمین تا چه اندازه در PCBهای RF اهمیت دارد.

مثال دوم: استفاده از یک Via مشترک برای چند اتصال Ground

مثال دوم مربوط به یک IC رادیوی FM برای تجهیزات قابل‌حمل است. در این طراحی یکی از اصول مهم Grounding نقض شده است:

این IC سه بخش اصلی دارد:

• RF Front End
• بخش دیجیتال
• PLL

هرکدام از این سه بخش یک اتصال Ground جداگانه دارند. در Layout، این سه پایه Ground با سه رنگ مشخص شده‌اند:

• Ground شماره ۱: دایره قرمز
• Ground شماره ۲: دایره آبی
• Ground شماره ۳: دایره زرد

مشکل اینجاست که هر سه اتصال در نهایت به یک Via مشترک متصل شده‌اند؛ همان Via که با فلش قرمز مشخص شده است.

اگر مدل معادل این اتصال را رسم کنیم، وضعیت به شکل زیر خواهد بود:

چرا Via مشترک باعث تداخل می‌شود؟

فرض کنید بخش دیجیتال و PLL نویز ایجاد کنند. جریان نویز هر دو بخش باید از همان Via مشترک عبور کند. از آنجا که Via دارای امپدانس غیرصفر است، عبور جریان نویز روی آن یک ولتاژ ناخواسته ایجاد می‌کند. همین ولتاژ می‌تواند به بخش حساس RF Front End کوپل شود.

نتیجه این اشتباه می‌تواند شامل موارد زیر باشد:

• افزایش نویز
• کاهش حساسیت گیرنده
• افت عملکرد RF

طراحان IC برای جلوگیری از همین مشکل، چند پایه Ground جداگانه در نظر گرفته‌اند؛ اما اگر در Layout همه این پایه‌ها قبل از رسیدن به Ground Plane به یک مسیر یا Via مشترک متصل شوند، مزیت این جداسازی تا حد زیادی از بین می‌رود.

میزان آسیب ایجادشده

در این نمونه، حساسیت گیرنده روی یکی از هارمونیک‌های کلاک حدود ۹۰ میکروولت اندازه‌گیری شده، در حالی که در فرکانس‌های دور از هارمونیک‌های کلاک این مقدار حدود ۸ میکروولت بوده است. یعنی استفاده از یک Via مشترک باعث شده حساسیت گیرنده در نقاط آلوده به نویز بیش از ده برابر بدتر شود.

راه‌حل صحیح چیست؟

راه‌حل ساده است: برای هر پایه Ground یک Via جداگانه در نظر بگیرید و هرکدام را با یک مسیر کوتاه و مستقل به Ground Plane متصل کنید. با این روش، امپدانس مشترک کاهش پیدا می‌کند و نویز یک بخش کمتر وارد بخش دیگر می‌شود.

ممکن است این سؤال ایجاد شود که همه Viaها در نهایت به یک Ground Plane مشترک متصل می‌شوند؛ پس آیا همچنان امپدانس مشترک وجود ندارد؟

تفاوت اصلی اینجاست که یک Ground Plane مناسب در محدوده وسیعی از فرکانس‌ها امپدانس بسیار کمتری نسبت به یک مسیر باریک یا یک Via مشترک ایجاد می‌کند. بنابراین اگر اتصال‌ها به‌صورت مستقل و کوتاه به صفحه زمین برسند، کوپلینگ ناخواسته میان بخش‌ها بسیار کمتر خواهد شد.

مدل معادل اتصال صحیح را می‌توان به شکل زیر نشان داد:

در این حالت هر اتصال Ground تنها امپدانس کوچک مربوط به Via خودش را دارد و دیگر یک امپدانس مشترک مشخص برای انتقال نویز بین بخش‌ها وجود ندارد. نتیجه، کاهش تداخل و بهبود عملکرد RF است.

هزینه واقعی اشتباهات Grounding

چنین اشتباهاتی در پروژه‌های واقعی می‌توانند بسیار پرهزینه باشند. فرض کنید ۵۰ عدد برد تولید شده و بعد مشخص شود طراحی Ground مشکل دارد. در این شرایط ممکن است:

• پروژه حدود یک ماه یا بیشتر به تأخیر بیفتد.
• تیم مهندسی مجبور به صرف زمان اضافه برای عیب‌یابی و بازطراحی شود.
• یک مرحله جدید ساخت و مونتاژ PCB لازم باشد.
• عرضه محصول به بازار به تعویق بیفتد.

برای نمونه، در یک تیم ۱۰ نفره، یک ماه تأخیر می‌تواند هزینه نیروی انسانی و سربار پروژه را به ده‌ها هزار دلار برساند؛ علاوه بر آن، هزینه ساخت مجدد PCB و تأخیر در ورود محصول به بازار نیز باید در نظر گرفته شود.