Photo by resources.altium.com
สวัสดีครับ ท่านผู้อ่าน เจอกันอีกครั้งนะครับ บทความชุดนี้จะเป็นภาคต่อสุดท้ายแล้วสำหรับการออกแบบ PCB อย่างไรเพื่อให้งานที่ออกแบบมีสัญญาณรบกวนให้น้อยที่สุด เนื้อหาชุดนี้จะเป็นเรื่องทั่วๆ ไป ที่เราควรระวังในการออกแบบเพื่อลดสัญญาณรบกวน
1. กำหนดค่าเลเยอร์ที่อยู่ติดกันให้แตกต่างกัน (มี Plane คั่นระหว่างชั้นที่เป็น Signal)
เมื่อจะจัดการกับสายสัญญาณที่หลากหลายภายในแผงวงจรพิมพ์ มีความจำเป็นต้องพิจารณาว่าควรวางเลเยอร์ที่เป็นสัญญาณไว้ติดกับชั้นใดโดยคำนึงถึงการแพร่กระจายของสัญญาณรบกวน รูปตัวอย่างด้านบนเป็นแผงวงจรพิมพ์ 6 ชั้น โดยชั้นสัญญาณที่ 1 กับ 2 และ 5 กับ 6 จะอยู่ติดกัน ในกรณีดังกล่าวจะเกิดสัญญาณรบกวนสาเหตุมาจาก Crosstalk นี่จึงเพิ่มความเป็นไปได้ที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อาจจะทำงานผิดปกติ
เมื่อจะจัดการกับสายสัญญาณที่หลากหลายบนแผงวงจรพิมพ์แบบหลายชั้น ตัวอย่างเช่น ในกรณีของแผงวงจรพิมพ์ 6 ชั้น ต้องแน่ใจว่าได้วางชั้น GND plane และ VCC plane ให้อยู่ระหว่างชั้นสัญญาณที่ 1 กับ 3 และ 4 กับ 6 ตามลำดับดังที่อธิบายไว้ข้างต้น ทำให้การออกแบบและผลิตแผงวงจรพิมพ์ช่วยลดผลกระทบจากสัญญาณรบกวน
สรุป เมื่อจะจัดการกับสัญญาณหลายประเภทภายในแผงวงจรพิมพ์เดียว ให้คำนึงถึงลำดับของชั้นที่อยู่ติดกันภายในแผงวงจรพิมพ์ด้วย โดยปกติแล้วมีการป้องกันเพื่อไม่ให้สายสัญญาณถูกวางบนชั้นที่ติดกันโดยการวางชั้น GND plane หรือชั้น VCC plane คั่นไว้ระหว่างชั้นของสายสัญญาณเหล่านั้น ในรูปตัวอย่างข้างบน เส้นสัญญาณชั้นที่ 3 และ 4 อยู่ติดกัน แต่ในกรณีเช่นนี้พยายามลากกลุ่มเส้นสัญญาณให้ห่างกันมากที่สุด โปรดทราบว่าวิธีที่ดีที่สุดคือใช้ชั้นที่ 5 เป็นชั้น GND plane แทน VCC plane หากสามารถทำได้
2. ใช้ตัวเก็บประจุอินพุตโดยพิจารณาการไหลของกระแสไฟฟ้า
เมื่อใช้ตัวเก็บประจุในส่วนอินพุตของไอซีเพื่อลดสัญญาณรบกวน ให้ความสนใจกับเส้นทางไหลของกระแสไฟฟ้าเมื่อออกแบบการวางอุปกรณ์บนแผงวงจรพิมพ์ ในตัวอย่างข้างต้น การเดินเส้นจากตัวต้านทานจะแยกออกไปต่อกับไอซีและต่อกับตัวเก็บประจุ ด้วยการจัดเรียงอุปกรณ์และวงจรแบบนี้ตัวเก็บประจุจะไม่สามารถลดสัญญาณรบกวนที่คาดหวังได้
การใส่ตัวเก็บประจุเพื่อให้ได้ผลต่อการลดสัญญาณรบกวนนั้นควรออกแบบแผงวงจรพิมพ์โดยให้เส้นลายวงจรที่ออกจากตัวต้านทานไปเชื่อมต่อกับไอซีโดยให้ผ่านตัวเก็บประจุ ตามที่อธิบายไว้ข้างต้น พิจารณาการไหลของกระแสไฟฟ้าในลักษณะดังกล่าวและการตรวจสอบว่าเดินสายไฟถูกต้องตามนั้นไหม ถือเป็นจุดสำคัญในการออกแบบวงจรเพื่อลดสัญญาณรบกวน
สรุป ตัวเก็บประจุที่ใช้เพื่อลดสัญญาณรบกวนไม่ใช่ว่าต้องวางไว้ใกล้กับไอซีเท่านั้นต้องพิจารณาถึงการไหลของกระแสไฟฟ้าด้วย เมื่อใช้ร่วมกับตัวต้านทานตรวจสอบให้แน่ใจว่ากระแสไฟฟ้าไหลตามนี้ ตัวต้านทาน ⇒ ตัวเก็บประจุ ⇒ ขาไอซี, โดยถ้าหากลากเส้นลายวงจรไม่ผ่านตัวเก็บประจุ เช่นในตัวอย่าง เส้นลายวงจรแยกออกจากกันหลังออกจากตัวต้านทาน จะเป็นเรื่องยากในการลดสัญญาณรบกวนของตัวเก็บประจุ
3. วางตัวเก็บประจุบายพาสไว้ใกล้กับไอซี
ตัวเก็บประจุบายพาสที่ใช้เพื่อลดสัญญาณรบกวนไม่ใช่เพียงต้องเชื่อมต่อกับส่วนอินพุต/เอาท์พุตของไอซีเท่านั้น จากตัวอย่างด้านบนติดตั้งตัวเก็บประจุบายพาสเข้าด้วยกันบนแผงวงจรพิมพ์ในตำแหน่งที่ห่างจากไอซีจะไม่สามารถได้รับประสิทธิภาพจากตัวเก็บประจุบายพาสตามที่คาดหวังได้ ในกรณีนี้การเพิ่มความจุของตัวเก็บประจุบายพาสจะมีผลน้อยลงสำหรับการลดสัญญาณรบกวน
เพื่อใช้ประโยชน์จากความสามารถในการลดสัญญาณรบกวนของตัวเก็บประจุบายพาสให้เกิดประโยชน์สูงสุดจะต้องวางตัวเก็บประจุไว้ใกล้กับขากำลังไฟฟ้าของไอซีให้มากที่สุด ในรูปด้านบนใช้ไอซี 3 ตัว ควรวางตัวเก็บประจุบายพาสแต่ละตัวไว้ใกล้กับไอซีของแต่ละตัว แทนที่จะวางตัวเก็บประจุบายพาสไว้เป็นกลุ่ม การทำเช่นนี้เท่านั้นที่จะได้รับผลการลดสัญญาณรบกวนของตัวเก็บประจุบายพาส
สรุป ตัวเก็บประจุบายพาสที่ใช้เพื่อลดสัญญาณรบกวนจะมีประสิทธิภาพน้อยลงหากไม่ได้วางไว้ใกล้กับขากำลังไฟฟ้าของไอซีแต่ละตัว ตัวเก็บประจุบายพาสอยู่ใกล้ขากำลังไฟฟ้ามากก็ยิ่งมีประสิทธิภาพมากขึ้น เช่น เมื่อใช้ตัวเก็บประจุบายพาสที่มีความจุเท่ากันบนไอซีเดียวกัน การวางตัวเก็บประจุบายพาสแต่ละตัวให้ใกล้กับไอซีแต่ละตัวมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้จะช่วยลดสัญญาณรบกวนได้
4. เดินเส้นลายวงจรกำลังไฟฟ้าให้ผ่านตัวเก็บประจุบายพาส
เพื่อป้องกันสัญญาณรบกวน จำเป็นต้องใส่ใจกับลำดับการเชื่อมเส้นลายวงจรเมื่อต่อตัวเก็บประจุบายพาสเข้ากับไอซี ในตัวอย่างด้านบน การเดินเส้นลายวงจรไปยังตัวเก็บประจุบายพาสและไอซีนั้นผ่านรู Via (เลเยอร์ข้างในเป็น Plane) หากใช้การเดินเส้นลายวงจรแบบนี้จะไม่ได้รับประโยชน์จากการลดสัญญาณรบกวนตามที่ต้องการจากตัวเก็บประจุบายพาสได้
เพื่อให้ได้ผลการลดสัญญาณรบกวนตามที่คาดหวัง ให้ออกแบบโดยให้เส้นที่ออกจากรู Via ผ่านตัวเก็บประจุบายพาสแล้วไปยังไอซี ดังที่แสดงไว้ด้านบน บางทีสาเหตุของสัญญาณรบกวนอาจเกิดมาจากตัวไอซีเอง มีบางกรณีที่การลดสัญญาณรบกวนไม่ได้ผลเนื่องมาจากการใช้ตัวเก็บประจุบายพาสไม่ถูกต้อง ดังนั้นจึงต้องระมัดระวังด้วย
สรุป การเดินเส้นลายวงจรกำลังไฟฟ้าไปยังไอซีควรให้เส้นผ่านตัวเก็บประจุบายพาส โดยเฉพาะการออกแบบที่เส้นเชื่อมต่อออกมาจาก Via ผ่านไปยังตัวเก็บประจุบายพาสและไอซีตามลำดับ แม้ว่านี่จะเป็นปัญหาพื้นฐานในการออกแบบ แต่การออกแบบที่ไม่ถูกต้องอาจทำให้ไม่สามารถอ่านลำดับต่าง ๆ อย่างถูกต้องในวงจรได้ นอกจากนี้ถ้าการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ไม่ถูกต้อง ก็อาจทำให้ประสิทธิภาพของตัวเก็บประจุบายพาสลดลง และเป็นที่มาของสัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้น
5. วางตัวเก็บประจุบายพาสตามลำดับขนาดความจุจากน้อยไปมาก
เมื่อใช้ตัวเก็บประจุเพื่อลดสัญญาณรบกวน สิ่งสำคัญคือต้องเลือกชนิดของตัวเก็บประจุโดยขึ้นอยู่กับลักษณะเฉพาะของความถี่ แต่สิ่งสำคัญคือต้องพิจารณาลำดับการวางไว้บนแผงวงจรพิมพ์ด้วย ในตัวอย่างด้านบน ตัวเก็บประจุถูกวางตามลำดับความจุจากมากที่สุดไปหาน้อยเมื่อมองจากด้านไอซีออกไป
ในตัวอย่างด้านบน มองจากด้านของไอซีเราจะพบว่าตัวเก็บประจุถูกวางตามลำดับขนาดความจุที่น้อยที่สุดออกไป การวางตัวเก็บประจุในลำดับเช่นนี้ทำให้สามารถกำจัดสัญญาณรบกวนที่เกิดจากลักษณะเฉพาะความถี่ของตัวเก็บประจุได้ ถ้าเราวางตัวเก็บประจุตามลำดับขนาดความจุที่มากที่สุดเป็นลำดับแรก (มองจากด้านไอซี) จะไม่สามารถได้ผลลัพธ์ในการลดสัญญาณรบกวนตามความถี่ของตัวเก็บประจุได้
สรุป ตัวเก็บประจุมีลักษณะเฉพาะด้านความถี่ และเมื่อใช้เป็นตัวเก็บประจุแบบบายพาส ควรเลือกใช้ตัวเก็บประจุที่มีความจุที่เหมาะสมตามความถี่ของสัญญาณรบกวนที่ต้องการกำจัด ในกรณีที่ต้องการวางตัวเก็บประจุเหล่านี้แบบขนานกัน ควรจัดเรียงตามลำดับขนาดความจุจากน้อยไปมากเพื่อลดผลกระทบจากการเหนี่ยวนำที่มาจากเส้นสายวงจร และเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ในการลดสัญญาณรบกวนให้มากที่สุด
6. ให้ความสำคัญกับรูปแบบและระยะห่างก่อนและหลังตัวกรอง (Filter)
การใช้ตัวกรองเพื่อป้องกันสัญญาณรบกวนก็ต้องการความระมัดระวังเช่นกัน การใช้ตัวกรองเพียงอย่างเดียวไม่สามารถให้ผลลัพธ์การลดสัญญาณรบกวนตามที่คาดหวังได้ ในตัวอย่างด้านบน มีการพยายามใช้ตัวกรองเพื่อลดสัญาณรบกวน แต่เมื่อมีการวิเคราะห์ไปที่เส้นลายวงจรก่อนและหลังตัวกรองบนแผงวงจรพิมพ์ พบว่ารูปแบบเส้นลายวงจรเข้าและออกจากตัวกรองมีการเข้าใกล้กันมาก การทำรูปแบบลายวงจรเข้าใกล้กันเช่นนี้แม้ว่าตัวกรองจะสามารถกำจัดสัญญาณรบกวนได้แต่ก็ยังคงจะกลับมาได้อีก ดังนั้นควรคำนึงถึงระยะห่างระหว่างรูปแบบเส้นลายวงจรก่อนและหลังตัวกรองด้วยเพื่อให้ได้ผลลัพธ์การลดสัญญาณรบกวนที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด
เมื่อใช้ตัวกรองบนแผงวงจรพิมพ์ สิ่งสำคัญคือการให้ระยะห่างที่เพียงพอระหว่างเส้นลายวงจรก่อนและหลังตัวกรอง ถ้าระยะห่างนี้ไม่เพียงพอ แม้ว่าตัวกรองจะลดสัญญาณรบกวนตามที่คาดหวังได้แล้วก็ตาม เส้นลายวงจรหลังจากตัวกรองก็ยังสามารถดูดสัญญาณรบกวนกลับมาได้ ดังนั้น การให้ระยะห่างเพียงพอเป็นสิ่งที่สำคัญเพื่อป้องกันไม่ให้เส้นลายวงจรหลังจากตัวกรองมีโอกาสที่จะสะสมสัญญาณรบกวนขึ้นอีกครั้ง
สรุป ในแผงวงจรพิมพ์ มีการใช้อุปกรณ์ต่าง ๆ เพื่อป้องกันสัญญาณรบกวน แต่การใช้อุปกรณ์เพียงอย่างเดียวไม่สามารถให้ผลลัพธ์การลดสัญญาณรบกวนตามที่คาดหวังได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับอุปกรณ์กำจัดสัญญาณรบกวนประเภทชิปที่ติดตั้งบนแผงวงจรพิมพ์จำเป็นต้องจัดเรียงอุปกรณ์และให้ลายวงจรก่อนและหลังตัวกรองให้อยู่ห่างกัน
อ้างอิง : https://www.noise-counterplan.com/point/410/
7. วางตัวต้านทานแดมปิ้ง (Damping resistor) ใกล้กับด้านที่ส่งข้อมูล
สำหรับ Damping resistor ที่ใช้เพื่อลดสัญญาณรบกวน ตำแหน่งการวางบนแผงวงจรพิมพ์มีผลอย่างมากต่อความสามารถในการกำจัดสัญญาณรบกวน ในตัวอย่างด้านบน ตัว Damping resistor จะถูกวางไว้ใกล้กับส่วนรับสัญญาณ (Rx) ด้วยการวางในลักษณะนี้จึงเป็นเรื่องยากที่จะลดสัญญาณรบกวนตามที่คาดหวังได้
วาง Damping resistor ไว้ใกล้กับด้านส่งสัญญาณ (Tx) ให้มากที่สุด เมื่อทำเช่นนี้จะสามารถระงับการ Overshoot ได้โดยใช้ Damping resistor และเพิ่มความสามารถในการลดสัญญาณรบกวนได้ดี
สรุป ตำแหน่งการวาง Damping resistor ที่ใช้เพื่อลดสัญญาณรบกวนบนแผงวงจรพิมพ์เป็นปัจจัยสำคัญเช่นกัน วาง Damping resistor ไว้ใกล้กับด้านส่งสัญญาณ (Tx) ไม่ใช่ด้านรับสัญญาณ (Rx) หากไม่มี Damping resistor ใกล้กับด้านส่งสัญญาณ (Tx) การเกิด Overshoot จะมีขนาดใหญ่ และในที่สุดจะทำให้เกิดการทำงานผิดปกติเนื่องจากสัญญาณรบกวน ดังนั้นจึงต้องระมัดระวัง
8. ไม่ให้มีเส้นลายวงจรอยู่ใต้ Crystal Oscillator
เมื่อใช้ Crystal Oscillator สร้างสัญญาณนาฬิกา สิ่งสำคัญคือต้องออกแบบเพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวนจากภายนอกให้มากที่สุด ในตัวอย่างด้านบน เส้นลายวงจรอยู่ด้านล่าง Crystal Oscillator การออกแบบอย่างนี้เพิ่มความเป็นไปได้ของการเกิด Crosstalk ที่เกิดจากสัญญาณรบกวนระหว่าง Crystal Oscillator กับเส้นลายวงจร
เมื่อใช้ Crystal Oscillator ติดตั้งบนแผงวงจรพิมพ์เพื่อสร้างสัญญาณนาฬิกาให้วงจรไฟฟ้า บนแผงวงจรพิมพ์มีเส้นสัญญาณต่างๆ มากมาย แต่อย่าให้เส้นลายวงจรเหล่านั้นลากผ่านใต้ Crystal Oscillator คุณสามารถป้องกันสัญญาณรบกวนจาก Crystal Oscillator ได้
สรุป สำหรับ Crystal Oscillator ใช้เพื่อสร้างสัญญาณนาฬิกา ซึ่งเป็นข้อมูลอ้างอิงสำหรับระยะเวลาการทำงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ดังนั้นจึงต้องออกแบบและใช้งานในลักษณะที่ไม่ได้รับผลกระทบจากสัญญาณรบกวนใดๆ เพื่อหลีกเลี่ยงผลกระทบจากสัญญาณรบกวนเนื่องจาก Crosstalk ห้ามมีเส้นลายวงจรใดๆ ผ่านใต้ Crystal Oscillator
9. ทำลูปของสวิทชิ่ง (Switching) ให้เล็ก
กรณีใช้งานแหล่งจ่ายไฟแบบสวิทชิ่งบนแผงวงจรพิมพ์ วงจรประกอบด้วยตัวเหนี่ยวนำ (Inductor) ไดโอด (Diode) และตัวเก็บประจุ (Capacitor) แต่ถ้าลูปในส่วนนี้มีขนาดใหญ่จะทำให้เกิดสัญญาณรบกวนได้ ในตัวอย่างด้านบน เส้นลายวงจร GND (สีน้ำเงิน) มีความยาวและเกิดเป็นลูปขนาดใหญ่
ตรวจสอบให้แน่ใจว่าวงจรตัวเหนี่ยวนำ (Inductor) ไดโอด (Diode) และตัวเก็บประจุ (Capacitor) ของแหล่งจ่ายไฟสวิตชิ่งมีความหนาและสั้นเพื่อลดลูปกระแสไฟฟ้าให้เล็กที่สุด ซึ่งจะทำให้การกระจายตัวของสัญญาณรบกวนลดลงจนเหลือน้อยที่สุด
สรุป เมื่อใช้วงจรแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งบนแผงวงจรพิมพ์ การเดินเส้นลายวงจรสำหรับส่วนสวิตชิ่งควรทำเส้นให้หนาและสั้นที่สุด การกระจายตัวของสัญญาณรบกวนจะลดลงโดยการลดพื้นที่ลูปให้เหลือน้อยที่สุด
10. วางไดโอดที่ป้องกันไฟฟ้าสถิต (ESD Protection) ใกล้กับแหล่งกำเนิดไฟฟ้าสถิต
ไดโอดป้องกันไฟฟ้าสถิต (ESD Protection) ซึ่งใช้ปกป้องวงจรจากไฟฟ้าสถิต ไม่ใช่ว่าจะวางตำแหน่งไหนก็ได้บนเส้นลายวงจรของไอซีที่ต้องการจะป้องกัน ในตัวอย่างด้านบน ไดโอดถูกวางไว้ใกล้กับไอซีที่ต้องการป้องกัน แต่การวางอย่างนี้ไม่ได้ให้ผลตามที่คาดหวังไว้ ตำแหน่งที่วางไดโอดเป็นสิ่งที่สำคัญ
เพื่อให้ไดโอดมีความสามารถในการป้องกันไฟฟ้าสถิตได้มากที่สุด จำเป็นต้องวางตัวไดโอดใกล้กับแหล่งกำเนิดไฟฟ้าสถิต อย่างเช่น คอนเน็กเตอร์ การวางอย่างนี้ทำให้ไดโอดมีความสามารถในการป้องกันไฟฟ้าสถิตอย่างมีประสิทธิภาพและช่วยลดความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และป้องกันไม่ให้วงจรทำงานผิดปกติ
สรุป เมื่อใช้ไดโอดป้องกันไฟฟ้าสถิต (ESD Protection) จะต้องวางไว้ใกล้กับแหล่งที่มาของไฟฟ้าสถิต มิเช่นนั้นจะมีประสิทธิภาพน้อยลง สิ่งสำคัญในการลดสัญญาณรบกวนจากไฟฟ้าสถิต คือ การวางไดโอดไว้ให้ใกล้กับแหล่งที่มาของไฟฟ้าสถิตให้มากที่สุดเท่าที่เป็นไปได้เพื่อเพิ่มความสามารถในการป้องกันสูงสุด
อ้างอิง : https://www.noise-counterplan.com/point/1598/
Summary
จบไปเเล้วครับ กับเนื้อหาของบทความภาคต่อเนื่องชุดสุดท้ายนี้ ขอขอบคุณทุกท่านที่เข้ามาอ่านกันจนจบทุกภาคครับ หวังว่าบทความจะเป็นประโยชน์กับท่านผู้อ่านนำไปประยุกต์ปรับใช้กับงานออกเเบบของท่านให้เหมาะสม ไว้พบกันเมื่อมีโอกาส สวัสดีครับ