سه قانون ساده برای طراحی بی‌نقص PCB

آیا به دنبال بهترین روش طراحی سیستم زمین (Grounding) برای بردهای دولایه (Two-Layer PCB) هستید؟ در چهار قسمت قبلی این مجموعه نشان دادم که برای دستیابی به بهترین عملکرد ممکن، استفاده ازPCB  چهارلایه ضروری است.

اما در این قسمت می‌خواهم با تکیه بر ۳۰ سال تجربه طراحی PCB نشان دهم که عامل اصلی محدودکننده در بردهای دولایه چیست و چگونه می‌توان تا حد زیادی بر این محدودیت غلبه کرد. تمام این مطالب را نیز با اندازه‌گیری‌های عملی روی دو برد آزمایشی اختصاصی اثبات خواهم کرد.

در این بخش از مدارها و مفاهیمی استفاده می‌کنم که در دو قسمت قبل توضیح داده شده‌اند؛ بنابراین اگر می‌خواهید مطالب این قسمت را کاملاً درک کنید، بهتر است ابتدا چهار بخش قبلی را مشاهده کنید.

آیا اتصال Ground Plane لایه بالایی مفید است؟

اولین آزمایش این است که بررسی کنیم آیا اتصال صفحه زمین (Ground Plane) لایه بالایی نیز می‌تواند عملکرد مدار را بهبود دهد یا خیر.

ابتدا این آزمایش را روی برد چهارلایه انجام می‌دهیم؛ زیرا این برد، مرجع ایده‌آل ما برای مقایسه است. در تصویرLayout  فیلتر و همچنین برد مونتاژشده آن را مشاهده می‌کنید.

اگر دقت کنید، در پنج نقطه، امکان اتصال یا قطع کردن Ground Plane لایه بالایی وجود دارد. در Layout نیز دقیقاً نحوه انجام این اتصال نمایش داده شده است. حال ببینیم این تغییر چه تأثیری بر عملکرد مدار خواهد داشت.

نتیجه روی برد چهارلایه

نتیجه بسیار ساده و روشن است. تقریباً هیچ تغییری مشاهده نمی‌شود. اختلاف بسیار جزئی میان منحنی‌ها دیده می‌شود، اما این اختلاف در حد نویز اندازه‌گیری است. بنابراین می‌توان نتیجه گرفت:

“در یک PCB چهارلایه، اتصال Ground Plane لایه بالایی تقریباً هیچ اثر محسوسی بر عملکرد مدار ندارد.”

علت این موضوع آن است که در برد چهارلایه، Ground Plane اصلی از قبل در فاصله بسیار کمی از مسیر سیگنال قرار گرفته و مسیر جریان برگشتی تقریباً ایده‌آل است.

نتیجه روی برد دو لایه

اکنون همین آزمایش را روی برد دولایه انجام می‌دهیم. همان‌طور که در قسمت قبل مشاهده کردیم، عملکرد برد دولایه نسبت به نمونه چهارلایه به‌مراتب ضعیف‌تر بود. بنابراین سؤال مطرح می‌شود که:

آیا اتصال Ground Plane لایه بالا می‌تواند این اختلاف را جبران کند؟

از نظر ظاهری، Layout این دو برد کاملاً یکسان است. در واقع، واقعاً هم یکسان هستند. تنها تفاوت آن‌ها در Layer Stackup  است.

در برد دولایه، صفحه زمین در فاصله حدود 1.6 میلی‌متری از مسیر سیگنال قرار دارد. اما در برد چهارلایه، همین فاصله تنها 0.19 میلی‌متر است. این اختلاف تقریباً هشت برابر است و همان عاملی است که عملکرد دو برد را از یکدیگر متمایز می‌کند. در این برد نیز همان پنج نقطه برای اتصال یا قطع Ground Plane لایه بالا در نظر گرفته شده است.

نتایج اندازه‌گیری

اکنون به نمودار نتایج نگاه کنید.

• منحنی آبی مربوط به برد چهارلایه است و نقش مرجع را دارد.
• منحنی بنفش مربوط به برد دولایه‌ای است که Ground Plane بالایی به زمین متصل شده است.
• منحنی زرد مربوط به همان برد است، اما Ground Plane بالایی به زمین متصل نیست.

نتیجه جالب است. در بیشتر محدوده فرکانسی، اتصال Ground Plane بالایی باعث بهبود قابل توجه عملکرد می‌شود. البته در یک محدوده فرکانسی خاص، یک رزونانس غیرعادی مشاهده می‌شود. با وجود این، به طور کلی اتصال Ground Plane بالایی مفید است، اما هنوز هم عملکرد آن به سطح برد چهارلایه نمی‌رسد.

آیا می‌توان مشکل Viaها را برطرف کرد؟

در قسمت قبل دیدیم که بزرگ‌ترین ضعف بردهای دولایه، اندوکتانس زیاد Viaها است. اندوکتانس یک Via در برد دولایه حدود ۵۰۰ پیکوهانری بود، در حالی که همین مقدار در برد چهارلایه تنها حدود ۱۲ پیکوهانری است.

حال سؤال این است:

اگر بتوانیم اندوکتانس Via را کاهش دهیم، چه اتفاقی خواهد افتاد؟ برای بررسی این موضوع، نویسنده تغییر جالبی در برد ایجاد کرده است.

1. او در کنار هر Via اصلی، دو Via دیگر اضافه کرده است. در نتیجه، هر اتصال زمین اکنون به جای یک Via، دارای سه Via موازی است.
2. علاوه بر این، دو Via جدید دارای قطر بزرگ‌تری نیز هستند. از آنجا که قطر بیشتر باعث کاهش اندوکتانس می‌شود، این تغییر می‌تواند اثر قابل توجهی داشته باشد.

اگر فرض کنیم اندوکتانس هر Via حدود ۵۰۰ پیکوهانری باشد، سه Via موازی مقدار اندوکتانس را تقریباً به ۱۵۰ پیکوهانری کاهش می‌دهند. از آنجا که  Viaهای جدید بزرگ‌تر نیز هستند، مقدار واقعی احتمالاً حتی کمتر از ۱۰۰ پیکوهانری خواهد بود.

توضیح اصطلاح  Parallel Vias(ویاهای موازی):

وقتی چند Via به صورت موازی یک نقطه را به Ground Plane متصل می‌کنند، امپدانس و اندوکتانس مؤثر اتصال کاهش پیدا می‌کند. درست مانند مقاومت‌های موازی، اندوکتانس معادل نیز کاهش می‌یابد. به همین دلیل در طراحی‌های RF و پرسرعت معمولاً به جای یک Via، از چند Via کنار هم استفاده می‌شود تا مسیر جریان برگشتی کم‌امپدانس‌تر شود.

ایجاد برد آزمایشی

برای اینکه بتواند Ground Plane بالایی را همچنان قطع و وصل کرد، مجبور شدم که تغییرات مکانیکی روی برد ایجاد کنم. زیرا Viaهای جدید مستقیماً داخل صفحه زمین قرار گرفته بودند. به همین دلیل، با استفاده از یک ابزار Dremel بخشی از Ground Plane  را برش داده است تا امکان انجام این آزمایش فراهم شود. البته پس از این کار دیگر امکان بازگرداندن Ground Plane  به حالت اولیه وجود نخواهد داشت.

توضیح اصطلاح Dremel:

Dremel  یک ابزار برقی کوچک و پرسرعت برای برش، سوراخ‌کاری، سنگ‌زنی و پرداخت است. بسیاری از مهندسان الکترونیک از این ابزار برای ایجاد تغییرات روی PCB، بریدن مسیرهای مسی یا اصلاح بردهای نمونه استفاده می‌کنند.

نتیجه استفاده از چند Via

نتیجه اندازه‌گیری بسیار واضح است. با جابه‌جا شدن بین نمودار مربوط به یک Via و سه Via موازی، مشاهده می‌شود که استفاده از چند Via عملکرد مدار را به شکل محسوسی بهبود می‌دهد.

بنابراین می‌توان نتیجه گرفت:

هرچه اتصال زمین دارای  Viaهای بیشتر و با کیفیت‌تر باشد، امپدانس Ground کاهش یافته و عملکرد مدار بهتر خواهد شد.

اما با وجود این بهبود، هنوز هم عملکرد برد دولایه با برد چهارلایه برابر نشده است.

چرا اتصال Ground Plane همیشه نتیجه یکسانی نمی‌دهد؟

 اکنون می‌خواهیم علت این موضوع را توضیح دهیم. در تصویر Layout مشاهده می‌کنید که:

سیگنال از یک سمت وارد مدار شده و پس از عبور از فیلتر باید در خروجی حدود ۱۰۰ دسی‌بل تضعیف داشته باشد. در این مدار، علاوه بر کوپلینگ مستقیم خازنی، تعداد زیادی حلقه جریان (Current Loop) نیز وجود دارد. هر یک از این حلقه‌ها مقداری انرژی الکترومغناطیسی تشعشع می‌کنند. اگر میزان تضعیف مدار هنوز به مقدار مطلوب نرسیده باشد، هر تغییری در اتصالات Ground  می‌تواند تعادل امپدانس مدار را بر هم بزند.

در نتیجه:

• ممکن است در یک فرکانس خاص عملکرد بهتر شود. اما در فرکانس دیگری همان تغییر باعث بدتر شدن پاسخ مدار شود.
• همچنین مشاهده کردیم که در برخی شرایط یک رزونانس ناخواسته نیز ایجاد می‌شود.

بنابراین، زمانی که میزان جداسازی (Isolation) هنوز کافی نیست، تقریباً هر تغییری در محیط اطراف مدار می‌تواند پاسخ فرکانسی آن را تغییر دهد.

در جلسه آینده به صورت عملی میزان انتقال ناخواسته سیگنال از یک حلقه جریان به حلقه دیگر اندازه‌گیری می‌شود و اهمیت موضوع Isolation به خوبی قابل لمس خواهد شد. با ما همراه باشید.