การออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ส่วนใหญ่มักเริ่มต้นจากสเกแมติกที่ถูกต้องและผ่านการตรวจสอบแล้ว จากนั้นจึงต้องลงมือทำงานอย่างหนักในการแปลงการออกแบบสเกแมติกให้กลายเป็นแผงวงจรพิมพ์ขั้นสุดท้าย บ่อยครั้งที่แผงวงจรพิมพ์ไม่สามารถทำงานได้ แม้ว่าการออกแบบวงจรดั้งเดิมจะถูกดำเนินการอย่างรอบคอบแล้วก็ตาม แม้ว่าแผนผังวงจรจะผ่านการตรวจสอบด้วยการจำลอง (simulation) แล้วก็ตาม สิ่งที่การจำลองการออกแบบไม่สามารถคำนึงถึงได้ก็คือรายละเอียดเฉพาะของการจัดวางแผงวงจรพิมพ์อาจแทรกแหล่งที่มาของความผิดพลาดที่ไม่คาดคิดเข้าไปในการนำการออกแบบไปใช้งานได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีการใช้ส่วนประกอบรุ่นใหม่ที่มีความเร็วสูงกว่า ซึ่งมาพร้อมกับความถี่สัญญาณนาฬิกาที่สูงขึ้นในงานออกแบบ นอกจากนี้ ความเร็วในการถ่ายโอนข้อมูลระหว่างอุปกรณ์ต่าง ๆ ก็เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องและยังคงได้รับผลกระทบจากแหล่งที่มาของความผิดพลาดประเภทเดียวกัน การเพิ่มขึ้นของความเร็วเหล่านี้ทำให้ค่าความจุไฟฟ้าและค่าความเหนี่ยวนำขนาดเล็กที่มีอยู่โดยธรรมชาติในเลย์เอาต์ของแผงวงจรพิมพ์ (PCB) สามารถทำให้การนำการออกแบบไปใช้บน PCB ล้มเหลวได้
นอกเหนือจากการทำให้แน่ใจว่าแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ทำงานได้ตามปกติแล้ว ข้อกำหนดเพิ่มเติมที่เกี่ยวข้องกับความทนทานของการออกแบบต่อสัญญาณรบกวนแบบแผ่รังสี และปริมาณสัญญาณรบกวนแบบแผ่รังสีที่วงจรของคุณสร้างขึ้นเอง ก็มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการได้รับการอนุมัติแบบขั้นสุดท้าย ดังนั้น เมื่อพัฒนาแอปพลิเคชัน PCB ถัดไปของคุณที่มีสัญญาณความเร็วสูง จึงต้องให้ความระมัดระวังอย่างมากในการลดปัญหาการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI)
ตัวอย่างของสัญญาณความเร็วสูงได้แก่ สัญญาณนาฬิกาและพอร์ตสื่อสารความเร็วสูง ด้วยกฎง่าย ๆ ไม่กี่ข้อ ความถูกต้องของสัญญาณและระดับการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าในงานออกแบบครั้งต่อไปของคุณสามารถปรับปรุงให้ดีขึ้นได้ โดยไม่จำเป็นต้องใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อนหรือเครื่องมือจำลองที่ยุ่งยากและมีราคาแพง บทความนี้จะนำเสนอกฎง่าย ๆ หลายข้อที่สามารถปฏิบัติตามได้เพื่อรับประกันความสำเร็จของงานออกแบบครั้งต่อไปของคุณที่ใช้สัญญาณความเร็วสูง
พื้นหลัง
ในส่วนนี้ เราจะพูดถึงแหล่งที่มาบางประการของข้อผิดพลาดในการออกแบบความเร็วสูงและแนวคิดที่เกี่ยวข้อง โดยในส่วนถัดไปจะนำเสนอหลักการทั่วไปเพื่อบรรเทาแหล่งที่มาของข้อผิดพลาดเหล่านี้
1. การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าและความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า
สัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าคือสัญญาณรบกวนความถี่วิทยุที่รบกวนการทำงานของอุปกรณ์ ในทางกลับกัน,ความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าหมายถึงการจำกัดระดับของสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่อุปกรณ์ปล่อยออกมา อุปกรณ์ทุกชนิดจะปล่อยสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาบางระดับ และในขณะเดียวกันก็จะดูดซับสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าบางส่วนด้วย เป้าหมายของผู้ออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ควรเป็นการลดทั้งสองปริมาณให้อยู่ในระดับที่เหมาะสม นอกจากนี้ยังควรสังเกตด้วยว่ามีมาตรฐานของ FCC และ CISPR ที่กำหนดระดับ EMI ที่อุปกรณ์ได้รับอนุญาตให้ปล่อยออกมา
2. สัญญาณนาฬิกา
สัญญาณนาฬิกา ซึ่งมักใช้ในการขับไมโครโปรเซสเซอร์และพอร์ตสื่อสาร ควรจะเป็นคลื่นสี่เหลี่ยมที่สมบูรณ์แบบ แต่ในความเป็นจริงแล้วไม่เป็นเช่นนั้น แท้จริงแล้วมันเป็นการผสมกันของสัญญาณที่ความถี่นาฬิกาโดยนามบัญญัติและความถี่ฮาร์มอนิกที่สูงกว่าความถี่นาฬิกา ดังนั้นจึงต้องพิจารณา EMI ทั้งที่ความถี่ของสัญญาณนาฬิกาที่ใช้ในงานออกแบบ และที่ความถี่ฮาร์มอนิกของสัญญาณนาฬิกาซึ่งสูงกว่าความถี่นาฬิกาโดยนามบัญญัติ
3. สายส่ง
ที่ความถี่ที่สูงขึ้น ผลของสายส่งจะเริ่มมีบทบาทแม้กระทั่งบนแผงวงจรพิมพ์ระดับ เมื่อใดก็ตามที่ความถี่ของสัญญาณในไลน์ทำให้สัญญาณนั้นมีความยาวคลื่นใกล้เคียงกับความยาวของร่องรอย (trace) บน PCB ที่เกี่ยวข้อง ควรคำนึงถึงอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะของร่องรอยนั้นเพื่อป้องกันการสะท้อนอันเกิดจากการไม่แมตช์ของอิมพีแดนซ์ โดยในความหมายที่กว้างที่สุด นักออกแบบ PCB ต้องใช้เวลาในการแมตช์อิมพีแดนซ์ของร่องรอยที่เชื่อมต่อกับทรานซีฟเวอร์ที่ร่องรอยเหล่านั้นเชื่อมอยู่ การใช้ไมโครสตริป (ร่องรอยที่มีความกว้างกำหนดไว้เหนือเพลนจ่ายไฟ) หรือสตริปไลน์ (ร่องรอยที่มีความกว้างกำหนดไว้ระหว่างเพลนจ่ายไฟสองชั้น) เป็นวิธีที่ใช้กันทั่วไปในการควบคุมอิมพีแดนซ์ของสายส่งในระดับ PCB
ทรานซีฟเวอร์มักจะมีอินพุตอิมพีแดนซ์สูงเช่นกัน ในกรณีนี้ ลายวงจรที่ใช้เชื่อมต่อจะต้องถูกเทอร์มิเนตให้มีค่าอิมพีแดนซ์ที่สอดคล้องกับอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะของสายส่งที่มันเชื่อมต่ออยู่ มีเทคนิคการเทอร์มิเนตที่ใช้กันทั่วไปอยู่หลายแบบ แต่การค้นคว้ารายละเอียดจะขอปล่อยให้ผู้อ่านไปศึกษาเพิ่มเติมเอง เนื่องจากอยู่นอกเหนือขอบเขตของบทความนี้
4. การรบกวนข้ามช่องทาง
เมื่อมีร่องรอยวงจรสองเส้นวางอยู่ติดกัน จะเกิดการคัปปลิงแบบเหนี่ยวนำและแบบเก็บประจุ (ซึ่งมักเรียกรวมกันว่า ครอสทอล์ก) ในลักษณะที่อาจทำให้เส้นหนึ่งรบกวนการทำงานของอีกเส้นหนึ่งได้ วิธีพื้นฐานที่สุดในการ消除สัญญาณรบกวนประเภทนี้คือการเพิ่มระยะห่างระหว่างร่องรอยวงจร นอกจากนี้ยังสามารถลดครอสทอล์กได้ด้วยการใช้เพลนจ่ายไฟเพื่อช่วยกดระดับครอสทอล์กให้น้อยลง
5. สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียล
อีกวิธีหนึ่งในการจัดการกับสัญญาณรบกวนในเส้นทางการสื่อสารคือการใช้สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียล สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลจะมีศักย์ไฟฟ้าที่เท่ากันแต่มีขั้วตรงข้ามกัน ดังนั้นจึงใช้ลายวงจรสองเส้นในการส่งสัญญาณระหว่างอุปกรณ์ และค่าของสัญญาณจะถูกกำหนดโดยความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้าบนลายวงจรทั้งสอง ไม่ใช่ศักย์ไฟฟ้าแบบสัมบูรณ์ของลายวงจรแต่ละเส้น วิธีนี้ทำให้สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลไม่ถูกรบกวนจากครอสทอล์กและแทบไม่ได้รับผลกระทบจากสัญญาณรบกวนที่แผ่กระจายออกมา
6. พื้นที่กระแสกลับและลูปปัจจุบัน
เมื่อพิจารณาการจัดวางวงจรความถี่สูง เส้นทางกลับของสัญญาณก็ต้องถูกนำมาพิจารณาด้วยเช่นกัน เมื่อทำงานกับวงจร DC เส้นทางกลับจะเป็นเส้นทางที่มีความต้านทานต่ำที่สุด แต่เมื่อพิจารณาสัญญาณ AC เส้นทางกลับจะเป็นเส้นทางที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำที่สุด ผลลัพธ์คือเส้นทางกลับของสัญญาณความถี่สูงจะอยู่ชิดกับลายทองแดงของสัญญาณนั้นโดยตรง โดยปกติ ความแตกต่างของเส้นทางกลับจะไม่เป็นปัญหาเมื่อร่องรอยสัญญาณถูกลากผ่านระนาบกราวด์ แต่จะกลายเป็นปัญหาได้เมื่อระนาบกราวด์ถูกตัดขาดใต้ร่องรอยสัญญาณ ผลที่ตามมาคือการขาดตอนของเส้นทางกลับของสัญญาณจะกลายเป็นลูป ซึ่งควรหลีกเลี่ยงลูป เพราะมันเป็นตัวแผ่รังสี EMI ที่มีประสิทธิภาพมากกว่าและจะส่งผลกระทบเชิงลบต่อ EMC ของการออกแบบ
เคล็ดลับการออกแบบเชิงปฏิบัติ
ตอนนี้เมื่อเราได้กล่าวถึงแหล่งที่มาของสัญญาณรบกวนความเร็วสูงโดยสังเขปแล้ว เราสามารถไปต่อเพื่อพูดคุยเกี่ยวกับเคล็ดลับการจัดวางที่เฉพาะเจาะจงมากขึ้นได้
ก่อนที่คุณจะเริ่มงานถัดไปของคุณการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ความเร็วสูงก่อนอื่นคุณต้องพิจารณาข้อกำหนดโดยรวมของการออกแบบ คำถามที่ควรถามคือ: ความถี่สูงสุดในระบบคือเท่าใด? คุณจำเป็นต้องใช้ไมโครสตริปหรือสตริปไลน์เพื่อให้ได้ระดับการกดสัญญาณรบกวนตามที่การออกแบบต้องการหรือไม่? สัญญาณที่มีความไวในงานออกแบบของคุณคืออะไร? อะไรคือค่าความเผื่อขั้นต่ำที่ผู้ผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) กำหนดไว้หรือไม่? มีการเชื่อมต่อที่มีความไวระหว่างกลุ่มฟังก์ชันต่าง ๆ ของการออกแบบหรือไม่? เมื่อได้คำตอบเหล่านี้แล้ว จึงสามารถกำหนดมุมมองโดยรวมของโครงสร้างซ้อนชั้นของบอร์ดและองค์ประกอบได้
1. โครงสร้างบอร์ด
หนึ่งในข้อพิจารณาพื้นฐานที่สุดสำหรับการออกแบบวงจรใหม่คือโครงสร้างซ้อนชั้นของแผ่นวงจรพิมพ์หากไม่มีสัญญาณที่มีความอ่อนไหวให้ต้องป้องกัน คุณอาจใช้แผ่นวงจรพิมพ์แบบ 2 ชั้นมาตรฐานได้โดยไม่มีปัญหา หากคุณจำเป็นต้องลากลายวงจรให้เป็นแบบสตริปลายน์ คุณจะต้องใช้โครงสร้างซ้อนชั้นแบบ 6 ชั้น แผ่นวงจรพิมพ์แบบ 4 ชั้นก็สามารถเป็นตัวเลือกกึ่งกลางที่ดีได้เช่นกัน
ข้อพิจารณาอีกประการหนึ่งคือ หากคุณสามารถออกแบบโครงสร้างเลเยอร์ของบอร์ด (stackup) ให้ระนาบจ่ายไฟอยู่ใกล้กันมาก คุณจะสามารถลดความจำเป็นในการใช้ตัวเก็บประจุสำหรับการดีคัปปลิงค่าต่ำในงานออกแบบของคุณได้ สุดท้ายนี้ หากคุณสามารถจัดวางแหล่งกำเนิดและจุดรับสัญญาณของสัญญาณความเร็วสูงให้อยู่ใกล้กันบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) คุณก็จะสามารถลดหรือกำจัดส่วนสำคัญของ EMI และ EMC ที่เกี่ยวข้องกับสัญญาณเหล่านั้นได้
2. ระนาบไฟเลี้ยงและกราวด์
ข้อกำหนดพื้นฐานที่สุดสำหรับการออกแบบความเร็วสูงคือการใช้ระนาบกราวด์ที่สมบูรณ์ นอกจากนี้ การมีระนาบจ่ายไฟที่สมบูรณ์ด้วยก็อาจเป็นประโยชน์อย่างมาก แต่สิ่งนั้นต้องอาศัยการออกแบบที่ใช้โครงสร้างซ้อนสี่ชั้นขึ้นไป ยังมีข้อดีจากการวางลายสัญญาณให้อยู่ใกล้กับระนาบจ่ายไฟมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ซึ่งควรนำมาพิจารณาในการกำหนดโครงสร้างซ้อนที่ใช้ในแบบขั้นสุดท้ายด้วย
เมื่อทำการแบ่งส่วนของเพลนจ่ายไฟออกเป็นหลายส่วน สิ่งสำคัญที่ต้องจำไว้คือ สัญญาณความเร็วสูงจะมีกระแสไหลกลับที่วิ่งตามเส้นทางที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำที่สุด ไม่ใช่ความต้านทานต่ำที่สุด ควรระมัดระวังไม่ให้เส้นทางกระแสไหลกลับของสัญญาณความเร็วสูงระหว่างต้นทางและปลายทางถูกตัดขาด หากจำเป็นต้องตัดเพลนกราวด์ พยายามอย่าวางลายสัญญาณให้วิ่งผ่านบริเวณที่ถูกตัด ในกรณีที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ ให้พิจารณาเชื่อมต่อเพลนกราวด์กลับเข้าหากันขนานไปกับลายสัญญาณด้วยตัวต้านทาน 0 โอห์ม กล่าวโดยสรุป ให้ใช้เพลนกราวด์และเพลนจ่ายไฟที่มีความสม่ำเสมอและต่อเนื่องมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ในงานออกแบบของคุณ
3. หัวข้อเพิ่มเติม
ตัวเก็บประจุแบบดีคัปปลิงมีความสำคัญในการสร้างเส้นทางอิมพีแดนซ์ต่ำไปยังกราวด์และแหล่งจ่ายไฟสำหรับสัญญาณความถี่สูง โดยทั่วไป คุณจะต้องใช้ค่าตัวเก็บประจุหลายค่าเพื่อกดทับสัญญาณรบกวนความถี่สูงในย่านความถี่ต่าง ๆ เมื่อทำการวางตัวเก็บประจุ ให้จัดวางตัวเก็บประจุที่มีค่าความจุต่ำที่สุดไว้ใกล้กับอุปกรณ์ที่คุณต้องการป้องกันมากที่สุด แล้วจึงค่อยวางตัวเก็บประจุที่มีค่าความจุสูงขึ้นตามลำดับ นอกจากนี้ ให้แน่ใจว่าตัวเก็บประจุถูกวางอยู่ระหว่างอุปกรณ์กับเพลนจ่ายไฟที่ตัวเก็บประจุนั้นทำการดีคัปปลิงอยู่ สิ่งนี้จะช่วยให้มั่นใจได้ว่าอุปกรณ์นั้นถูกดีคัปปลิงด้วยตัวเก็บประจุจริง ๆ
เคล็ดลับทั่วไปอื่น ๆ ได้แก่:
• การทำมุมร่องลายวงจรให้โค้งมนสามารถลดระดับ EMI ที่แผ่ออกมาจากสัญญาณได้ เนื่องจากการเปลี่ยนทิศทางของร่องลายวงจรอย่างฉับพลันจะทำให้เกิดค่าความจุไฟฟ้าที่สูงขึ้นและยังทำให้เกิดการสะท้อนของสัญญาณความเร็วสูงอีกด้วย
• เพื่อลดการรบกวนระหว่างสัญญาณระหว่างลายวงจร รวมถึงลายวงจรที่อยู่บนเลเยอร์ต่างกัน ให้มั่นใจว่าลายวงจรตัดกันในมุมที่เหมาะสม
• หลีกเลี่ยงการใช้ via ในลายสัญญาณ เนื่องจาก via จะเปลี่ยนลักษณะอิมพีแดนซ์จำเพาะของลายและอาจทำให้เกิดการสะท้อนของสัญญาณ นอกจากนี้ หากจำเป็นต้องใช้ via กับลายสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียล ควรพิจารณาวาง via ในลายทั้งสองเส้นเพื่อให้แน่ใจว่าผลกระทบของมันมีค่าเท่ากันในทั้งสองลาย
• พิจารณาส่วนสตับที่เกิดจากการใช้เวีย ลองพิจารณาใช้เวียแบบบลายด์หรือเวียแบบฝังแทนเวียแบบดั้งเดิม
• พิจารณาความล่าช้าเมื่อใช้โซลูชันนาฬิกาแบบกระจาย หลีกเลี่ยงการแตกแขนงสัญญาณและทำให้ความยาวของลายวงจรจากนาฬิกาไปยังอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อเท่ากัน มักจะแนะนำให้ใช้งานไดรเวอร์นาฬิกา
