Photo by resources.altium.com
สวัสดีครับ ท่านผู้อ่านทุกท่าน เจอกันอีกแล้วนะครับ สำหรับเนื้อหาในบทความนี้จะกล่าวถึงว่าเราจะทำการออกแบบ PCB อย่างไรเพื่อให้งานเรามีสัญญาณรบกวนให้น้อยที่สุด เพื่อลดปัญหาที่อาจเกิดขึ้นกับงานที่เราตั้งใจออกแบบ โดยผู้เขียนจะแบ่งเนื้อหาออกเป็น 3 ส่วนนะครับ เพื่อให้ได้เนื้อหาครอบคลุมมากที่สุด โดยเนื้อหาที่นำมาเสนอผู้เขียนได้แปลและเรียบเรียงใหม่มาจากบทความจากเว็บของประเทศญี่ปุ่น โดยได้แยกเขียนไว้เป็นข้อๆ เพื่อให้ค้นหาและทำความเข้าใจได้ง่าย โดยในเนื้อหาในบทความนี้จะเป็นส่วนแรก
อย่างแรก ก่อนที่จะเข้าไปอ่านเนื้อหาบทความจะขอทำความเข้าใจว่าเนื้อหาหลักส่วนใหญ่ที่กล่าวถึงในนี้ จะเป็นสัญญาณรบกวนที่เกิดจากเส้นลายวงจรที่ใช้ส่งสัญญาณความถี่สูงเป็นหลัก เพราะเส้นสัญญาณความถี่สูงจะเป็นตัวสร้างสัญญาณรบกวนให้กับสิ่งที่อยู่รอบๆได้มาก ดังนั้นจึงขอทำความเข้าใจเพื่อทำให้ผู้อ่านได้เข้าใจวัตถุประสงค์และนำไปปรับใช้กับงานออกแบบของท่านให้ได้เกิดประโยชน์กับท่านมากที่สุด ถ้าพร้อมแล้วไปเริ่มกันเลยครับ
1. หลีกเลี่ยงการเดินเส้นลายวงจรแบบมุมฉาก
เมื่อออกแบบแผงวงจรพิมพ์ เช่น วงจรส่งสัญญาณความเร็วสูง หากการเดินเส้นลายวงจรมีเป็นแบบมุมฉาก สัญญาณรบกวนก็อาจเกิดขึ้นได้ เหตุผลก็คือความกว้างของเส้นส่วนที่เป็นมุมฉากนั้นกว้างกว่าในส่วนที่เป็นเส้นตรง ดังนั้นค่าอิมพีแดนซ์จึงเปลี่ยนไปตามความกว้างของเส้นที่ไม่เท่ากันและส่งผลให้มีแนวโน้มเกิดสัญญาณรบกวนขึ้นได้นั่นเอง
เมื่อออกแบบแผงวงจรพิมพ์ ขอแนะนำให้ทำเส้นลายวงจรให้เป็นเส้นตรงที่สุดหรือเส้นไม่เอียง แต่ถ้าจำเป็นต้องทำโค้งงอจริงๆ ให้ทำเป็น 45 องศาตามรูป แทนที่จะทำเป็นมุมฉาก การทำเช่นนี้ในเส้นที่ส่งความเร็วสูง การเปลี่ยนแปลงความกว้างของรูปแบบเส้นจะมีขนาดต่างกันเพียงเล็กน้อยเมื่อเทียบกับการเดินเส้นแบบมุมฉาก ดังนั้นผลกระทบของค่าอิมพีแดนซ์จึงมีน้อย ด้วยเหตุนี้ การออกแบบแผงวงจรพิมพ์ลักษณะแบบนี้จึงมีโอกาสเกิดสัญญาณรบกวนได้น้อย
สรุป เมื่อออกแบบแผงวงจรพิมพ์สำหรับเส้นที่ส่งความเร็วสูง จำเป็นต้องใส่ใจกับการเปลี่ยนแปลงค่าอิมพีแดนซ์เนื่องมาจากการเปลี่ยนแปลงความกว้างของเส้นลายวงจร แทนที่จะทำเส้นเป็นมุมฉาก ควรทำเส้นเป็น 45 องศา จะลดการเปลี่ยนแปลงความกว้างของเส้นได้ เป็นผลให้สามารถลดการสร้างสัญญาณรบกวนที่มาจากการเปลี่ยนแปลงค่าอิมพีแดนซ์ในเส้นลายวงจร
2. ปรับทิศทางการเดินเส้นลายวงจรของเลเยอร์ที่อยู่ติดกัน
เมื่อต้องรับมือกับเส้นลายวงจรที่ใช้ส่งความเร็วสูง สิ่งสำคัญที่สุดที่ต้องระวังคือ Crosstalk ระหว่างเส้นสัญญาณ ตามในรูป เส้นสัญญาณ 2 แบบที่ลากเส้นขนานกันบนแผงวงจรพิมพ์ รูปแบบการเดินเส้นดังกล่าวมีแนวโน้มจะเกิดการ Crosstalk กันระหว่าง Layer และมีความอ่อนไหวต่อสัญญาณรบกวนมาก
*Crosstalk หรือ Magnetically coupled noise ความหมายคือ เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวดจะทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก และจากผลของการเกิดสนามแม่เหล็กสามารถเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลในขดลวดอื่นได้ ถ้าอธิบายให้เข้าใจง่ายคือ การไหลของกระแสไฟฟ้าจากอีกเส้น จะมีผลต่อการไหลของกระแสไฟฟ้าของอีกเส้นได้ ถ้าอีกเส้นอยู่ในแนวเส้นแรงของสนามแม่เหล็ก โดยจะมีผลกระทบขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างเส้น, ความถี่ของสัญญาณในเส้น
ในกรณีข้างบน มีความเป็นไปได้สูงที่จะเกิด Crosstalk และอาจมีสัญญานรบกวนแทรกอยู่ในการรับหรือส่งข้อมูลได้ ซึ่งนำไปสู่ปัญหาต่างๆ เช่น อุปกรณ์ทำงานผิดปกติ ในกรณีเช่นนี้ เมื่อออกแบบแผงวงจรพิมพ์ ไม่จำเป็นต้องลากเส้นสัญญาณให้ชิดกันมาก แต่ถ้าหากจำเป็นที่เส้นจะต้องอยู่ใกล้หรือคร่อมกัน ก็ควรลดอิทธิพลของสัญญาณรบกวนที่มีระหว่างกันให้น้อยที่สุด อย่างรูปด้านบน
สรุป ภายใต้สถานการณ์ที่ความเร็วในการส่งข้อมูลของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เพิ่มขึ้น มีหลายกรณีที่ปัญหาจะเกิดขึ้นได้ เช่น การทำงานผิดปกติของวงจรเนื่องจากอิทธิพลของสัญญาณรบกวนที่เกิดจาก Crosstalk ระหว่างสายส่งสัญญาณ กุญแจสำคัญในการหลีกเลี่ยงการเกิด Crosstalk คือการลากเส้นสัญญาณความถี่สูงต่าง ๆ แยกออกจากกัน หรือ เลเยอร์ที่อยู่ติดกันควรลากเส้นทำมุมฉากกัน
3. ลากเส้นสัญญาณแบบ Differential pair ให้ขนานกัน
มาถึงตอนนี้ เราได้ผ่านการอธิบายวิธีการรับมือกับสัญญาณรบกวน เช่น การไม่เดินเส้นสัญญาณแบบขนานกันบนแผงวงจรพิมพ์เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิด Crosstalk แต่กรณีนี้จะแตกต่างออกไปเพราะมีการทำงานที่แตกต่างกัน, หากเส้นสัญญาณ Differential pair ทำงานบนแผงวงจรพิมพ์ที่มีการเดินเส้นตามรูปข้างบน จะเกิดสัญญาณรบกวนการทำงานของ Differential pair จากที่อื่นและทำให้เกิดความผิดปกติกับการส่งสัญญาณได้
สำหรับสายสัญญาณที่ทำงานแบบ Differential pair ให้ทำเส้นแบบเป็นคู่ขนานกันเพื่อป้องกันสัญญาณรบกวนดังที่อธิบายข้างต้น ถ้าสัญญาณ Differential pair ทำเป็นเส้นคู่ขนานกันแล้ว หากได้รับผลกระทบจากสัญญาณรบกวน สัญญาณทั้งสองจะได้รับผลกระทบจากสัญญาณรบกวนที่เหมือนกัน ดังนั้นที่ตัวรับสัญญาณจะมองว่าไม่มีการเปลี่ยนแปลงเพราะมีสิ่งเปรียบเทียบระหว่างสัญญาณคู่ว่ามีความเปลี่ยนแปลงเหมือนกัน ดังนั้นจึงสามารถหลีกเลี่ยงการทำงานผิดปกติอันเนื่องมาจากสัญญาณรบกวนได้
แสดงข้อมูลให้เพิ่มเติมตามรูปด้านล่าง
Photo by electronics.stackexchange.com
สรุป เมื่อออกแบบแผงวงจรพิมพ์ที่เป็นสัญญาณ Differential pair ให้ทำเส้นสัญญาณเป็นแบบคู่ขนานกัน เมื่อสายสัญญาณทั้งสองได้รับสัญญาณรบกวนเข้ามาจะทำให้ไม่มีผลกระทบต่อวงจร เพื่อหลีกเลี่ยงการทำงานผิดปกติอันเนื่องมาจากสัญญาณรบกวน
4. เส้นที่ทำ Length Matching (การทำความยาวของเส้นลายวงจรให้ได้ตามที่กำหนดไว้) มีระยะห่างที่เพียงพอ
เมื่อออกแบบเส้นลายวงจรที่ทำ Length Matching บนแผงวงจรพิมพ์เพื่อทำให้เกิดการหน่วงเวลาในวงจรความถี่สูง, จะไม่สามารถเกิดการหน่วงเวลาตามที่คาดหวังได้ถ้าหากระยะห่างบนเส้นแคบไป จากรูปด้านบน, ระยะห่าง = ความกว้างของเส้น, และระยะห่างระหว่างเส้นใกล้กันเกินไปถ้าเป็นแบบนี้สัญญาณรบกวนจากภายนอกเมื่อเข้ามาในเส้นจะแพร่กระจายออกได้ จะได้รับผลกระทบจากเส้นสัญญาณที่อยู่ติดกัน
เมื่อออกแบบเส้นลายวงจรที่ทำ Length Matching ให้ออกแบบแผงวงจรพิมพ์โดยให้ทำระยะห่างของเส้นมากกว่าความกว้างของเส้นและระยะห่างก็จะกว้างขึ้น แนะนำการออกแบบโดยทำระยะห่างของเส้นตามนี้ ระยะห่าง = ความกว้างของเส้น x 3, สัญญาณรบกวนที่เข้ามาในเส้นมีโอกาสกระจายน้อยลง และทำความหน่วงเวลาตามที่คาดหวังได้
สรุป เมื่อออกแบบวงจรความถี่สูง สิ่งสำคัญคือต้องพิจารณาการรบกวนจากเส้นสัญญาณใกล้เคียง เพื่อให้ได้ค่าการออกแบบที่คาดหวังไว้ เมื่อมีการเดินเส้นแบบ Length Matching ที่กล่าวไว้ข้างบน ถึงแม้จะมีสัญญาณรบกวนมาจากเส้นสัญญาณที่อยู่ใกล้เคียง การออกแบบที่ทำระยะห่างของเส้นโดย ระยะห่าง = ความกว้างของเส้น x 3, จะสามารถได้ผลลัพธ์ที่มีประสิทธิภาพตามที่คาดหวังไว้โดยไม่ได้รับผลกระทบจากสัญญาณรบกวนจากภายนอก
5. ใส่ Via ที่ส่วนปลายของ GND guard
เมื่อออกแบบแผ่นวงจรพิมพ์ เส้นสัญญาณนาฬิกาและเส้นสัญญาณรีเซ็ตจะถูกป้องกันโดย GND guard, ตามภาพด้านบน เส้น GND อยู่ล้อมรอบเส้นสัญญาณ อย่างไรก็ตาม ยังไม่มีการใส่ Via ที่ปลายเส้นตามจุดที่วงไว้ในรูป ดังนั้นเส้น GND ดังกล่าวจึงกลายเป็นเสาอากาศ (Antenna) และโดยการที่เส้นกลายเป็นเสาอากาศนี้เอง จะสร้างสัญญาณรบกวนให้กับเส้นที่อยู่ใกล้เคียง
เมื่อออกแบบแผงวงจรพิมพ์ หากเส้นสัญญาณนาฬิกาหรือเส้นสัญญาณรีเซ็ตมีการปกป้องโดยใช้ GND guard ให้ใส่ Via ที่ส่วนปลายของเส้น GND และเชื่อมต่อกับเลเยอร์ด้านใน ซึ่งเป็นการป้องกันไม่ให้เส้นที่เป็น GND guard กลายเป็นเสาอากาศนั่นเอง
สรุป เส้น GND guard จะไม่มีประสิทธิภาพหากเพียงแค่สร้างเส้นขึ้นมาแล้วไม่ได้ตรวจสอบให้ถูกต้อง บางทีอาจจะได้ผลลัพธ์ที่ตรงกันข้ามกับที่ตั้งใจออกแบบไว้ ตรวจสอบให้มั่นใจว่าได้ทำการเชื่อมต่อส่วนปลายของเส้น GND guard กับเลเยอร์ด้านในแล้ว เพื่อป้องกันการเกิดสัญญาณรบกวนจากเสาอากาศ
6. ใส่ Via ที่บริเวณส่วนกลางของ GND guard
เมื่อออกแบบแผ่นวงจรพิมพ์ เส้นสัญญาณนาฬิกาและเส้นสัญญาณรีเซ็ตจะถูกป้องกันโดย GND guard, ตามภาพด้านบน เส้น GND อยู่ล้อมรอบเส้นสัญญาณ, มี Via ที่ปลายเส้น GND guard แล้ว แต่ไม่มี Via ในส่วนกลางเส้นแ
เมื่อออกแบบแผงวงจรพิมพ์ ถ้าหากการเดินเส้น GND guard มีความยาวมาก ให้ใส่ Vias บริเวณตรงกลางเส้นเพื่อเชื่อมกับเลเยอร์ด้านใน ซึ่งเป็นการป้องกันไม่ให้เส้น GND guard กลายเป็นเสาอากาศ (Antenna)
สรุป เส้น GND guard จะไม่มีประสิทธิภาพหากเพียงแค่สร้างเส้นขึ้นมาแล้วไม่ได้ตรวจสอบให้ถูกต้อง บางทีอาจจะได้ผลลัพธ์ที่ตรงกันข้ามกับที่ตั้งใจออกแบบไว้, ถ้าเส้น GND guard มีความยาวมาก ให้เชื่อมต่อ GND ส่วนตรงกลางเส้นเข้ากับเลเยอร์ด้านใน เพื่อป้องกันการเกิดเสาอากาศบนเส้น
7. หลีกเลี่ยงการเดินเส้นผ่านส่วนที่เป็นร่อง (Slit) จากเลเยอร์ใกล้กัน
เมื่อออกแบบวงจรที่จะลดสัญญาณรบกวน ประเด็นหนึ่งที่สำคัญ คือ การปกป้องการเดินทางกลับของสัญญาณ (Return path) ตามรูปด้านบน การเดินเส้นสัญญาณเป็นแบบที่สั้นที่สุด แต่ก็ทำให้เส้นนั้นผ่านส่วนที่เป็นร่องของ GND plane ด้วย ดังนั้นการเดินทางกลับของสัญญาณ (Return path) ไม่สามารถป้องกันสัญญาณรบกวนได้ (เลเยอร์ด้านใน: เป็น plane, เลเยอร์ที่ผิวด้านนอก: สายสัญญาณ) ถ้าหากมีการลากเส้นเป็นแบบนี้ สัญญาณรบกวนอาจจะเกิดขึ้นมาจากแผงวงจรพิมพ์
จากรูปแผงวงจรพิมพ์ด้านบนเป็นตัวอย่างที่ดีของการสร้างเส้นทางกลับของสัญญาณ (Return path) เนื่องจากเส้นถูกป้องกันไม่ให้ผ่านร่องของ GND plane และเส้นทางกลับของสัญญาณได้รับการป้องกันจากผลกระทบของสัญญาณรบกวน จึงมีประสิทธิภาพในการลดสัญญาณรบกวน, วงจรที่ต้องการป้องกันเป็นพิเศษจากสัญญาณรบกวน เช่น สายส่งความเร็วสูงและวงจรความถี่สูง ต้องได้รับการออกแบบเพื่อให้แน่ใจว่าเส้นทางกลับของสัญญาณไม่มีการถูกรบกวน
เพิ่มเติมเนื้อหาให้: สำหรับกรณีนี้สัญญาณรบกวนเกิดจาก Loop area ของ Return path ถ้ายิ่ง Loop area มีค่ามาก จะมีความสัมพันธ์กับค่า Impedance ของเส้นดังกล่าว คือ ถ้าระยะทางที่สัญญาณขาไปกับขากลับมีความแตกต่างกันมากเส้นนั้นก็จะมีค่า Impedance ที่ไม่คงที่ อันเป็นสาเหตุทำให้เกิดสัญญานรบกวนในเส้นนั้นได้ คล้ายกับข้อที่ 1 ในบทความนี้ มีตัวอย่างในรูป
อ้างอิง: https://www.altium.com/documentation/altium-designer/pcb-layout-high-speed-design?version=15.1
สรุป สำหรับวงจรที่ต้องการลดสัญญาณรบกวน เช่น วงจรความถี่สูง ต้องแน่ใจว่าได้ออกแบบเส้นทางกลับของสัญญาณ (Return path) ไว้ดีแล้ว ในกรณีของสัญญาณความเร็วสูง ว่ากันว่าวงจรถูกสร้างขึ้นโดยสัมพันธ์กับ GND plane ที่อยู่ด้านล่างของเส้นสัญญาณ ดังนั้นถ้าหากเส้น Return path ไม่ดีพอ การเกิด Loop area จะใหญ่และและสัญญาณรบกวนจะมีเพิ่มขึ้น ดังนั้นควรระมัดระวังด้วย
8. ลากเส้นให้อยู่บนเลเยอร์เดียวกันสำหรับ Return path ในกรณีไม่มี Plane ที่เลเยอร์ด้านใน
เส้นทางกลับของสัญญาณ (Return path) เป็นหนึ่งจุดที่จะลดสัญญาณรบกวนบนแผงวงจรพิมพ์ได้ ในรูปด้านบน มี Via อยู่ตรงกลางเส้น ทำให้ Return path ไม่มีความต่อเนื่อง (ไม่ได้วิ่งอยู่บนเลเยอร์เดียว), โดยสำหรับ L1 เป็นเส้นสัญญาณ แล้ว L2 เป็น GND plane ตัว L2 นี่แหละเป็น Return path, สำหรับ L4 เป็นเส้นสัญญาณ แล้ว L3 เป็น VCC plane ตัว L3 นี่แหละเป็น Return path, เนื่องจากไม่มี Return path ในส่วน Via ที่อยู่ใน L2 และ L3 จึงอาจทำให้เกิดสัญญาณรบกวนได้
จากรูปด้านบนเป็นตัวอย่างการเดินเส้นในเลเยอร์เดียวกัน, GND plane ของ L2 คือเส้นทางกลับของสัญญาณ (Return path) สำหรับสัญญาณที่ต้องการป้องกันเป็นพิเศษกับสัญญาณรบกวน เช่น สัญญาณนาฬิกาและสัญญาณรีเซ็ต จำเป็นต้องออกแบบการเดินเส้นในเลเยอร์เดียวกัน ถ้าเป็นไปได้
สรุป สำหรับวงจรที่ต้องการลดสัญญาณรบกวน เช่น วงจรความถี่สูง ต้องแน่ใจว่าได้ออกแบบเส้นทางกลับของสัญญาณ (Return path) ไว้ดีแล้ว ในกรณีของสัญญาณความเร็วสูง ว่ากันว่าวงจรถูกสร้างขึ้นโดยสัมพันธ์กับ GND plane ที่อยู่ด้านล่างของเส้นสัญญาณ ดังนั้นถ้าหากเส้น Return path ไม่ดีพอ การเกิด Loop area จะใหญ่และสัญญาณรบกวนจะมีเพิ่มขึ้น ดังนั้นควรระมัดระวังด้วย
9. สัญญาณ Differential pair ทำเส้นเป็นคู่ขนานโดยให้มีความยาวเส้นเท่ากัน
การเดินเส้นแบบ Differential pair ควรทำเส้นให้ขนานกัน แต่สิ่งสำคัญคือต้องมีความยาวเส้นเท่ากันด้วย นอกจากนี้ยังจำเป็นต้องใส่ใจกับการปรับความยาวของเส้นด้วย ตามรูปด้านบน หากการปรับความยาวเส้นโดยใช้เพียงหนึ่งเส้นเดินสายแบบคดเคี้ยว (Meander wiring) ช่วงดังกล่าวรูปแบบระหว่างทั้ง 2 เส้นจะเปลี่ยนไป และถ้ามีการควบคุมค่าอิมพีแดนซ์ (Impedance control or Trace-Space Control) ค่าอิมพีแดนซ์ที่จุดนั้นจะมีความแตกต่างกับจุดอื่น ทำให้มีโอกาสเกิดการส่งสัญญาณที่ผิดพลาดได้
สำหรับเส้นสัญญาณ Differential pair ให้ปรับความยาวเส้นโดยรักษาระยะห่างระหว่างเส้นให้ได้ใกล้เคียงกันให้มากที่สุดตลอดแนว ตามรูปด้านบน โดยคงค่าอิมพีแดนซ์ให้คงที่ตลอดแนวเส้นคู่ ซึ่่งทำให้การออกแบบแผงวงจรพิมพ์ทนต่อสัญญาณรบกวนได้
10. สัญญาณ Differential pair จัดเรียงอุปกรณ์แบบสมมาตร
สำหรับการเดินเส้นแบบ Differential Pair ระยะห่างของเส้นมีความสำคัญเมื่อมีการควบคุมค่าอิมพีแดนซ์ แต่ก็มีจุดอื่นที่ต้องระวังไว้ด้วย ตามรูปด้านบน อุปกรณ์ถูกจัดเรียงเพื่อให้ระยะห่างของเส้นมีความใกล้เคียงกัน ในกรณีนี้ จำเป็นต้องปรับความยาวเส้นทั้งก่อนหน้าและก็หลังอุปกรณ์ ซึ่งจะเป็นการเพิ่มความยาวของเส้น
ส่วนของอุปกรณ์ในเส้นสัญญาณที่เป็น Differential Pair ให้จัดเรียงอุปกรณ์เเบบสมมาตรตามรูปด้านบน หากเส้นสัญญาณ Differential Pair ทำเส้นคู่ขนานกัน ถ้ามีสัญญาณรบกวนเข้ามา สัญญาณทั้งสองจะได้รับผลกระทบจากสัญญาณรบกวนเหมือนกัน ทำให้ได้เปรียบเทียบความแตกต่างของสัญญาณกันได้ ตัวสัญญาณรบกวนก็จะไม่ส่งผลกระทบต่อวงจร จึงสามารถหลีกเลี่ยงการทำงานที่ผิดพลาดอันเนื่องมาจากสัญญาณรบกวนได้
สรุป การรับส่งข้อมูลแบบ Differential เช่น LVDS มีการใช้ที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากเทคโนโลยีการส่งสัญญาณความเร็วสูง เมื่อออกแบบบนแผงวงจรพิมพ์ จำเป็นต้องมีข้อควรระวังต่างๆ เช่น การเดินเส้นแบบขนานกัน/ความยาวเส้นเท่ากัน การควบคุมค่าอิมพีแดนซ์ และการเดินสายบนเลเยอร์เดียวกัน
Summary
ก็จบลงไปเเล้วนะครับ กับเนื้อหาของบทความชุดนี้ หวังว่าจะเป็นประโยชน์กับท่านผู้อ่านนำไปประยุกต์ปรับใช้กับงานออกเเบบของท่านให้เหมาะสม ผู้เขียนก็หวังว่าเนื้อหาที่ได้นำเสนอไปจะเป็นประโยชน์กับทุกท่านที่เข้ามาอ่านกันครับ ไว้พบกันโอกาสหน้า สวัสดีครับ