ปัจจุบันนี้ ผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ทุกชนิดได้แทรกซึมเข้าไปในทุกมุมของชีวิตผู้คน ส่งผลให้แผงวงจรพิมพ์ (PCB) ซึ่งเป็นแกนหลักของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มีการพัฒนาอย่างรวดเร็ว ความสามารถของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในการทำงานได้ตามปกติ ปลอดภัย และมีเสถียรภาพนั้น ขึ้นอยู่กับการออกแบบ PCB เป็นอย่างมาก ในกระบวนการออกแบบ PCB ส่วนที่สำคัญที่สุดคือการออกแบบระบบกราวด์และการป้องกันสัญญาณรบกวนสำหรับผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ จนถึงปัจจุบัน ผู้ออกแบบ PCB เฉพาะทางต่างก็มีมุมมองของตนเองเกี่ยวกับการต่อลงกราวด์และการป้องกันสัญญาณรบกวน และทั้งวิธีการและเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับการต่อลงกราวด์และการป้องกันสัญญาณรบกวนก็มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ซึ่งช่วยสร้างหลักประกันที่สำคัญต่อการทำงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ให้มีความปลอดภัยและเสถียรอย่างต่อเนื่อง บทความนี้กล่าวถึงกลยุทธ์การป้องกันสัญญาณรบกวนและการต่อลงกราวด์สำหรับ PCB
การต่อลงกราวด์ของสัญญาณดิจิทัลและสัญญาณแอนะล็อก
ในกระบวนการออกแบบ PCB เราไม่ได้แยกพื้นที่สัญญาณดิจิทัลหรือพื้นที่สัญญาณอะนาล็อกอย่างเคร่งครัด ตัวอย่างหนึ่งคือ ในวงจรหนึ่ง วงจรส่วนรวมมักยากที่จะตัดสินได้ว่าส่วนจ่ายไฟนั้นจัดอยู่ในส่วนใด วิธีการป้องกันสัญญาณรบกวนที่ใช้กันทั่วไปคือการแยกวงจรดิจิทัลออกจากวงจรอะนาล็อก และควรจัดวางให้อยู่คนละพื้นที่กัน แต่จะออกแบบส่วนที่ไม่สามารถแยกได้อย่างชัดเจนอย่างไร เช่น ส่วนจ่ายไฟที่กล่าวถึงข้างต้น แก่นสำคัญของการแยกสัญญาณอะนาล็อกจากสัญญาณดิจิทัลอยู่ที่คุณสมบัติของชิปที่เกี่ยวข้อง กล่าวคือ ชิปนั้นเป็นอะนาล็อกหรือดิจิทัล ส่วนจ่ายไฟจะถือเป็นส่วนอะนาล็อกเมื่อจ่ายไฟให้กับวงจรอะนาล็อก ในขณะที่จะถือเป็นส่วนดิจิทัลเมื่อจ่ายไฟให้กับชิปดิจิทัล อย่างไรก็ตาม เมื่อทั้งสองส่วนใช้แหล่งจ่ายไฟเดียวกันในเวลาเดียวกัน จะใช้วิธีการแบบสะพาน (bridge) เพื่อนำไฟจากส่วนอื่นมา วิธีการป้องกันสัญญาณรบกวนที่กล่าวมาข้างต้นเป็นวิธีที่ค่อนข้างใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน ในความเป็นจริง วิธีนี้ใช้ได้ผลเฉพาะในบางระบบขนาดเล็กหรือ PCB ขนาดเล็กเท่านั้น อย่างไรก็ตาม ในระบบวงจรขนาดใหญ่ มักเกิดปัญหาที่อาจแฝงอยู่มากมายจากการใช้วิธีนี้ โดยเฉพาะในระบบที่ซับซ้อนซึ่งปัญหาเหล่านี้ยิ่งเด่นชัดจนทำให้เกิดปัญหา EMI จากการจัดวางลายวงจรที่ต้องอ้อมเพื่อเว้นระยะการกระจายตัวของสัญญาณ ตัวอย่างเช่น เมื่อมีการใช้งานตัวแปลง A/D แบบทั่วไปโรงงานผลิตแผงวงจรพิมพ์ดังนั้นจึงแนะนำให้ต่อ AGND และ DGND บนตัวแปลง A/D เข้ากับกราวด์ด้วยอิมพีแดนซ์ต่ำผ่านลายวงจรที่สั้นที่สุด ดังนั้น เมื่อใช้วิธีที่กล่าวถึงข้างต้นแล้ว กราวด์ทั้งสองจะถูกเชื่อมต่อผ่านสะพานเชื่อมต่อที่มีความกว้างเท่ากับ IC ใต้ตัวแปลง A/D
อย่างไรก็ตาม สำหรับระบบที่มีตัวแปลง A/D จำนวนมาก หากประมวลผลแต่ละตัวตามวิธีที่กล่าวมาข้างต้น จะทำให้เกิดการเชื่อมต่อหลายจุด ซึ่งจะทำให้การแยกกราวด์ดิจิทัลและกราวด์อนาล็อกไม่มีความหมาย เพื่อแก้ปัญหานี้ ควรใช้กราวด์ดินโดยแบ่งกราวด์ดินออกเป็นกราวด์ดิจิทัลและกราวด์อนาล็อก ซึ่งสามารถตอบสนองข้อกำหนดของผู้ผลิตและลดปัญหา EMI ได้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้
การวิเคราะห์การป้องกันสัญญาณความถี่สูงจากสัญญาณรบกวน
ในกระบวนการออกแบบแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) ที่มีสัญญาณความถี่สูง โลหะหรือขาเชื่อมต่อใด ๆ สามารถถือได้ว่าเป็นองค์ประกอบที่ประกอบด้วยตัวต้านทาน ตัวเหนี่ยวนำ และตัวเก็บประจุ ลายวงจรพิมพ์บน PCB ที่มีความยาว 25 มม. สามารถสร้างค่าความเหนี่ยวนำได้ประมาณ 15nH ถึง 20nH ดังนั้นจึงควรใช้กลยุทธ์การต่อลงกราวด์แบบหลายจุด เพื่อให้แต่ละระบบวงจรถูกต่อเข้ากับเส้นกราวด์ที่อยู่ใกล้เคียงซึ่งมีอิมพีแดนซ์ต่ำที่สุด นอกจากนี้ควรลดอิมพีแดนซ์กราวด์และค่าความเหนี่ยวนำระหว่างเส้นกราวด์ให้ได้มากที่สุด และลดการคัปปลิงระหว่างวงจรที่เกิดจากค่าคาปาซิแตนซ์กระจายให้เหลือน้อยที่สุด วิธีที่ง่ายที่สุดของการต่อลงกราวด์แบบหลายจุดคือการเคลือบผิวทองแดงเต็มพื้นที่ โดยจุดกราวด์ของอุปกรณ์จะถูกต่อเข้ากับแผ่นทองแดงเคลือบ และระนาบกราวด์ที่ครอบคลุมพื้นที่ส่วนใหญ่ของ PCB จะทำหน้าที่เป็นระนาบอ้างอิงที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำมาก จากนั้นจึงสามารถหลีกเลี่ยงการคัปปลิงความถี่สูงที่ไม่จำเป็นระหว่างอุปกรณ์และวงจรย่อยแต่ละส่วนได้
จำเป็นต้องประมวลผลกราวด์ดิจิทัลและกราวด์อนาล็อกแยกจากกันในแผงวงจรพิมพ์ความถี่สูงระดับกราวด์ของสายสัญญาณดิจิความถี่สูงมักจะแตกต่างกัน และมักเกิดความคลาดเคลื่อนของแรงดันไฟฟ้าระหว่างกัน นอกจากนี้ สายกราวด์ของสัญญาณดิจิความถี่สูงยังมีองค์ประกอบฮาร์มอนิกของสัญญาณความถี่สูงอยู่เป็นจำนวนมาก เมื่อสายกราวด์ของสัญญาณดิจิตอลถูกเชื่อมต่อโดยตรงกับสายกราวด์ของสัญญาณอะนาล็อก ฮาร์มอนิกของสัญญาณความถี่สูงจะรบกวนสัญญาณอะนาล็อกผ่านการคัปปลิงทางสายกราวด์ โดยทั่วไป สายกราวด์ของสัญญาณดิจิความถี่สูงควรถูกแยกออกจากสายกราวด์ของสัญญาณอะนาล็อก โดยใช้วิธีการเชื่อมต่อแบบจุดเดียวในตำแหน่งที่เหมาะสม หรือใช้วิธีการเชื่อมต่อผ่านบีดแม่เหล็กชนิดโช้กความถี่สูง
การวิเคราะห์การป้องกันสัญญาณความถี่สูงจากสัญญาณรบกวน
ในการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB)เค้าโครงคอมโพเนนต์ความยาวและความหนาของลายวงจรมีความเกี่ยวข้องอย่างมากกับสัญญาณรบกวน ซึ่งต้องอาศัยเทคโนโลยีระดับมืออาชีพและความสามารถในการรับรู้ที่ครบถ้วนของผู้ออกแบบ การป้องกันสัญญาณรบกวนในการออกแบบ PCB มีความสัมพันธ์กับประสิทธิภาพการใช้งานของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ รายการกฎที่แนะนำในบทความนี้เป็นการสรุปจากประสบการณ์การออกแบบจริงของผู้ออกแบบ ซึ่งเป็นประโยชน์อย่างยิ่งต่อผู้ออกแบบ PCB
