3 เทคนิคการเดินสายในการออกแบบวงจรสัญญาณความเร็วสูงบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB)

การออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) เป็นสิ่งสำคัญต่อการทำงานของวิศวกรไฟฟ้า และการออกแบบ PCB ที่สมบูรณ์แบบนั้นไม่ใช่เรื่องง่ายนัก PCB ที่สมบูรณ์แบบไม่ได้มาจากเพียงแค่ความสมเหตุสมผลในการเลือกและจัดวางอุปกรณ์เท่านั้น แต่ยังมาจากความสามารถในการนำสัญญาณที่ดีเยี่ยมด้วย ในวิทยานิพนธ์ฉบับนี้ จะมีการแนะนำและนำเสนอความรู้เกี่ยวกับเทคนิคการเดินลายวงจรสำหรับการออกแบบวงจรสัญญาณความเร็วสูงบน PCB เพื่อให้เป็นประโยชน์ต่อการทำงานด้านวิศวกรรมของคุณ

การเดินลายวงจรบนแผงวงจรหลายชั้น

เมื่อออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) วิศวกรส่วนใหญ่มักต้องการทำการเดินสายสัญญาณความถี่สูงโดยใช้บอร์ดหลายชั้น นอกจากบทบาทในฐานะส่วนแกนหลักของ PCB แล้ว บอร์ดหลายชั้นประเภทนี้ยังสามารถลดการรบกวนของวงจรได้ ซึ่งเป็นวิธีการหลักที่วิศวกรใช้เมื่อเผชิญกับปัญหาดังกล่าว เมื่อออกแบบวงจรสัญญาณความเร็วสูงบน PCB โดยอาศัยการใช้บอร์ดหลายชั้น วิศวกรจำเป็นต้องลดขนาดบอร์ดลงโดยการกำหนดจำนวนชั้นอย่างมีเหตุผล เพื่อใช้ประโยชน์จากชั้นกลางให้มากที่สุดสำหรับการตั้งค่าชิลด์เพื่อให้ได้กราวด์ที่อยู่ใกล้ ซึ่งทั้งหมดนี้สามารถลดค่าความเหนี่ยวนำปรสิตได้อย่างมีประสิทธิภาพ ลดความยาวการส่งสัญญาณ ลดการรบกวนไขว้ระหว่างสัญญาณ เป็นต้น วิธีการทั้งหมดเหล่านี้ล้วนเป็นประโยชน์อย่างมากต่อความน่าเชื่อถือของวงจรสัญญาณความเร็วสูง

นอกจากวิธีการข้างต้นในการเพิ่มความน่าเชื่อถือของการส่งสัญญาณ PCB ด้วยความช่วยเหลือของบอร์ดหลายชั้นแล้ว ข้อมูลจากแหล่งที่เชื่อถือได้ยังแสดงให้เห็นว่า เมื่อใช้วัสดุชนิดเดียวกัน เสียงรบกวนที่เกิดจากบอร์ด 4 ชั้นจะต่ำกว่าบอร์ด 2 ชั้นถึง 20dB สำหรับการดัดโค้งของลายวงจร ยิ่งมีการดัดโค้งน้อยเท่าใดก็ยิ่งดีเท่านั้น โดยควรใช้ลายวงจรแบบเส้นตรงให้มากที่สุด และเมื่อจำเป็นต้องดัดโค้ง สามารถใช้เส้นที่มีมุม 45 องศา หรือเส้นโค้ง (Arc) เพื่อช่วยลดการแผ่รังสีออกสู่ภายนอกจากสัญญาณความเร็วสูงและการคัปปลิงซึ่งกันและกัน ทำให้ทั้งการแผ่รังสีและการสะท้อนลดลงด้วย

ทำให้ขาเชื่อมต่อระหว่างคอมโพเนนต์ในวงจรความเร็วสูงสั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

ในกระบวนการออกแบบและวางลายวงจรสัญญาณความเร็วสูงบนแผ่น PCB วิศวกรจำเป็นต้องทำให้ขาคอนเน็กต์ระหว่างอุปกรณ์ต่าง ๆ ในวงจรความเร็วสูงมีความสั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เนื่องจากยิ่งขามีความยาวมากเท่าใด ค่าความเหนี่ยวนำกระจายและค่าคาปาซิแตนซ์กระจายก็จะยิ่งมากขึ้น ซึ่งจะทำให้เกิดการสะท้อนและการออสซิลเลชันในวงจรความเร็วสูง

นอกจากการทำให้ขาคอนเน็กชันระหว่างอุปกรณ์ในวงจรความเร็วสูงสั้นลงแล้ว การสลับเลเยอร์ของลายวงจรระหว่างขาของอุปกรณ์แต่ละตัวในวงจรความเร็วสูงก็ควรถูกลดให้สั้นที่สุดในกระบวนการเดินลาย PCB ด้วย ซึ่งหมายความว่าควรลดจำนวนรูทะลุที่ใช้ในการเชื่อมต่ออุปกรณ์ให้น้อยที่สุด โดยทั่วไปแล้ว รูทะลุหนึ่งรูจะก่อให้เกิดความจุไฟฟ้าแบบกระจายประมาณ 0.5pF ซึ่งจะทำให้ค่าหน่วงของวงจรเพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัด ในขณะเดียวกัน ในกระบวนการของวงจรความเร็วสูงในการจัดวางลายวงจร ควรพิจารณาอย่างรอบคอบถึงการรบกวนแบบครอสที่เกิดจากการวางลายสัญญาณแบบขนานระยะสั้น หากไม่สามารถหลีกเลี่ยงการวางลายแบบขนานได้ สามารถวางแผ่นกราวด์ขนาดใหญ่ไว้ด้านหลังของลายสัญญาณที่ขนานกันเพื่อลดการรบกวนได้ ในสองชั้นที่อยู่ติดกัน ทิศทางการเดินลายต้องตั้งฉากกัน

กราวด์ล้อมรอบสายสัญญาณหรือส่วนเฉพาะที่มีความสำคัญเป็นพิเศษ

ในกระบวนการออกแบบลายวงจร (routing) ของแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) วิศวกรมักแนะนำให้ใช้การล้อมรอบด้วยกราวด์บนเส้นสัญญาณที่สำคัญเป็นพิเศษหรือบริเวณเฉพาะบางส่วน การเดินลายจะถูกจัดให้ไปอยู่ใกล้กับสัญญาณที่ไวต่อการรบกวนน้อยกว่า เช่น สัญญาณนาฬิกาและสัญญาณอนาล็อกความเร็วสูง โดยในขณะเดียวกันจะมีการเพิ่มลายกราวด์เพื่อป้องกันล้อมรอบรอบอุปกรณ์ โดยให้เส้นสัญญาณที่ต้องการป้องกันอยู่ตรงกลาง เนื่องจากการเดินลายสัญญาณทุกประเภทไม่ควรเกิดเป็นวงรอบ (loop) เช่นเดียวกับลายกราวด์ หากเกิดวงจรลูปขึ้น จะทำให้เกิดสัญญาณรบกวนอย่างรุนแรงในระบบ ข้อดีของการเดินลายโดยใช้กราวด์ล้อมรอบเส้นสัญญาณคือช่วยหลีกเลี่ยงการเกิดลูปได้อย่างมีประสิทธิภาพในระหว่างการเดินลาย แนะนำให้ติดตั้งตัวเก็บประจุแยกความถี่สูง (high-frequency decoupling capacitors) หนึ่งตัวหรือมากกว่าบริเวณใกล้กับบล็อกวงจรรวม (IC) แต่ละตัว เมื่อกราวด์อนาล็อกหรือกราวด์ดิจิทัลถูกเชื่อมต่อเข้ากับกราวด์ร่วม ควรใช้วงจรโช้กความถี่สูง (high-frequency choke link) ร่วมด้วย เส้นสัญญาณความเร็วสูงบางเส้นต้องการการจัดการเป็นพิเศษ ตัวอย่างเช่น สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลจำเป็นต้องอยู่บนเลเยอร์เดียวกันและควรเดินลายให้ขนานกันมากที่สุด ห้ามมีสัญญาณอื่นแทรกอยู่ระหว่างเส้นสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียล และความยาวของแต่ละเส้นต้องเท่ากัน

นอกจากวิธีการที่กล่าวมาข้างต้นแล้ว ขณะออกแบบการเดินสัญญาณบนแผ่น PCB วิศวกรควรหลีกเลี่ยงการแตกแขนงของสายสัญญาณความเร็วสูงหรือการเกิดสตับ เนื่องจากอาจเกิดการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าค่อนข้างสูงเมื่อมีการวางสายสัญญาณความถี่สูงบนชั้นผิว ดังนั้นควรวางสายสัญญาณความถี่สูงไว้ระหว่างสายไฟเลี้ยงและสายกราวด์ เพื่อให้การแผ่รังสีที่เกิดขึ้นลดลงอย่างมากจากการดูดซับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าโดยชั้นไฟเลี้ยงและชั้นล่าง

แน่นอนว่าในโครงการปฏิบัติจริง ทฤษฎีจะไม่มาก่อนการปฏิบัติ ผมอยากจะแบ่งปันประสบการณ์บางส่วนของผมในด้านการออกแบบลายวงจร PCB ก่อนอื่น หากคุณไม่ใช่นักออกแบบลายวงจรเพียงคนเดียวของแผ่น PCB แผ่นหนึ่ง คุณควรเผื่อเวลาให้เพียงพอในการตรวจสอบงานออกแบบของผู้ออกแบบลายวงจรคนอื่นๆ การป้องกันเล็กน้อยย่อมดีกว่าการแก้ไขครั้งใหญ่ เป็นความคิดที่ไม่เข้าท่าที่จะคาดหวังให้ผู้ออกแบบลายวงจรเข้าใจสิ่งที่คุณคิด คำแนะนำและคำสั่งของคุณคือสิ่งที่สำคัญที่สุดในระยะเริ่มต้นของการออกแบบลายวงจร ยิ่งคุณให้ข้อมูลได้มากและยิ่งคุณมีส่วนร่วมในงานออกแบบมากเท่าไร คุณก็จะได้ PCB ที่ดีขึ้นเท่านั้น นี่คือวิธีที่ดีวิธีหนึ่ง: คุณสามารถกำหนดจุดเสร็จสิ้นชั่วคราวให้กับวิศวกรออกแบบ PCB เพื่อให้ขั้นตอนการวางลายวงจรดำเนินไปอย่างเคร่งครัดตามขั้นตอนของคุณ วิธีนี้เปรียบเสมือนลูปปิดที่ทำให้การวางลายวงจรไม่ออกนอกเส้นทาง จึงช่วยลดโอกาสในการต้องแก้ไขงานให้น้อยที่สุด

จากนั้นคำแนะนำที่คุณควรให้กับวิศวกรจัดเส้นทางของคุณควรรวมถึง: คำอธิบายสั้น ๆ เกี่ยวกับฟังก์ชันของวงจร; ภาพร่าง PCB พร้อมป้ายกำกับตำแหน่งอินพุตและเอาต์พุต;ชั้น PCBข้อมูลต่าง ๆ เช่น ความหนา จำนวนชั้น ข้อมูลรายละเอียดของแต่ละชั้นสัญญาณและแผ่นกราวด์; ประเภทของสัญญาณที่แต่ละชั้นต้องการ; ข้อกำหนดเกี่ยวกับตำแหน่งของชิ้นส่วนสำคัญ; ตำแหน่งเฉพาะของชิ้นส่วนบายพาส; ความสำคัญของลายพิมพ์; ความสำคัญของวงจรที่ต้องการลายพิมพ์ควบคุมอิมพีแดนซ์; วงจรที่ต้องการการจับคู่ความยาว; ขนาดของชิ้นส่วน; ลายพิมพ์ วงจร หรือชิ้นส่วนที่ต้องการระยะห่างหรือความใกล้ชิด; ประเภทของชิ้นส่วนที่ติดตั้งด้านบนหรือด้านล่าง

แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
•เคล็ดลับการออกแบบความเร็วสูง
•เทคนิคการเดินลาย PCB ความเร็วสูงเพื่อลดผลกระทบของ EMI
•การวิจัยการออกแบบ PCB ความเร็วสูงในระบบประยุกต์แบบฝังตัว
•ความท้าทายด้านความถูกต้องของสัญญาณในการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ความเร็วสูงและแนวทางแก้ไข
•วิธีการลดการสะท้อนสัญญาณในการออกแบบเลย์เอาต์ PCB ความเร็วสูง
•การวิเคราะห์ความถูกต้องของสัญญาณและการออกแบบ PCB บนวงจรผสมดิจิทัล-อนาล็อกความเร็วสูง
•บริการผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) แบบครบทุกฟังก์ชันจาก PCBCart - ตัวเลือกเสริมเพิ่มมูลค่าหลากหลาย
•บริการประกอบแผงวงจรพิมพ์ขั้นสูงจาก PCBCart - เริ่มต้นเพียง 1 ชิ้น