System Design

วิธีการแก้ไข ground loop ระหว่างสองวงจรอาจท าได้โดย แยกวงจรทั้ง...

0 downloads 57 Views 1MB Size
Lecture 9

System Design สิ่งที่ควรคานึงถึงในการออกแบบระบบ 1. Dynamic range and Precision ช่วงของสัญญาณ และ ความละเอียด ของ input และ output ที่เกี่ยวข้ องในระบบจะเป็ นตัวกาหนดการออกแบบระบบทังหมด ้ เช่น ขนาดและช่วงการใช้ งานของอุปกรณ์ตา่ งๆ ความแม่นยาในการวัด และ ระดับสัญญาณรบกวนที่ยอมรับได้ ตัวอย่างเช่น เมื่อต้ องการวัดอุณหภูมิระหว่าง 0 ถึง 100 ̊C อย่างมีความแม่นยาต้ องใช้ คา่ อย่างน้ อย 100 ระดับถึงจะทาการวัดได้ 8-bit analogue-to-digital converter (ADC)สามารถแบ่ง input voltage ได้ 256 ระดับจึงสามารถทางานนี ้ได้ แต่ถ้าต้ องการความ ละเอียด 0.1 ˚C แล้ ว ต้ องมีการแบ่ง input เป็ น 100/0.1 = 1000 ระดับ เพราะฉะนัน้ ต้ องใช้ 10-bit ADC ซึง่ สามารถแบ่งค่า input ออกได้ เป็ น 1024 ระดับ 2. Calibration ถึงแม้ ผ้ ผู ลิตจะบอกคุณสมบัติของ Sensor แต่ละตัวมา แต่ในความเป็ นจริ งแล้ ว อุปกรณ์แต่ละตัวมีความแตกต่างกัน ในการใช้ งาน sensor เพื่อให้ คา่ ที่วดั ได้ ตรงกับความเป็ นจริงต้ องมีการเทียบค่าที่วดั ได้ กบั ค่ามาตรฐานเสมอ การเทียบนี ้ควรจะทาอย่าง สม่าเสมอเนื่องจากสภาพของอุปกรณ์ที่เปลีย่ นไปตามอายุการใช้ งานและสภาพแวดล้ อมหรื อเมื่อมีการเปลีย่ นแปลง ส่วนประกอบของระบบ ข้ อมูลของการเทียบมาตรฐานควรถูกเก็บไว้ เพื่อเป็ นประโยชน์ในการบารุงรักษา 3. Bandwidth ความจุของสือ่ รับส่งสัญญาณมีผลต่อความเร็วในการทางานของระบบ ตัวอย่างเช่นมาตรฐาน RS 232 ทัว่ ไปสามารถรับ ส่ง ข้ อมูลได้ เพียง 20 kbits/sec 4. Cost ราคาเป็ นส่วนสาคัญที่ต้องคานึงถึงในการออกแบบ การออกแบบอุปกรณ์แต่ละอย่างควรคานึงถึงจุดประสงค์ในการใช้ งาน เช่น ในบางครัง้ ไม่มีความจาเป็ นที่จะต้ องใช้ CPU ที่ทางานได้ เร็ วและมีราคาแพงในงานที่ไม่ต้องการการประมวลผลด้ วยความเร็ ว สูง ราคาในที่นี ้อาจรวมถึงต้ นทุนทังหมดในการน ้ าผลิตภัณฑ์ออกสูต่ ลาดและผู้ใช้ งาน เช่น ต้ นทุนในการทาวงจร, ต้ นทุนในการทา และออกแบบ package, การทดสอบอุปกรณ์ให้ ได้ มาตรฐาน, การขนส่ง, โฆษณา, และการจัดจาหน่าย 5. Peripheral Hardware o Sampling Rate and Aliasing การเลือกอุปกรณ์ต้องคานึงถึงอัตราการสุม่ ข้ อมูลเข้ าสูร่ ะบบ ถ้ าอัตราการสุม่ ข้ อมูลไม่เหมาะสมกับอัตราการ เปลีย่ นแปลงของสัญญาณที่ต้องการวัดจะทาให้ ข้อมูลที่วดั ได้ ผิดเพี ้ยนจากความเป็ นจริ ง ดังรูป

1

Lecture 9

o Processor throughput ปริ มาณงานที่ CPU ทาได้ ขึ ้นอยูก่ บั ปั จจัยหลายอย่างเช่น  Interrupts การเกิด Interrupt มีบอ่ ยหรื อไม่ แต่ละครัง้ ใช้ เวลานานเท่าใด  Interfaces มาตรฐานในการ Interface ซึง่ เป็ นส่วนที่จากัดความเร็ วและความสามารถในการรับส่งข้ อมูลก็มี ผลต่อปริ มาณงานที่ CPU ทาได้  Hardware Support และ Processing requirements ชนิดของ CPU, ROM, RAM และ ความต้ องการส่วน Hardware อื่นๆในระบบ มีผลกับปริ มาณ งานที่ CPU ทาได้ เนื่องจาก งานบางชนิดสามารถทาโดย Software ได้ แต่การใช้ software จะ เสียเวลาไปกับการประมวลผล ทาให้ CPU ทางานอื่นๆได้ น้อยลง การใช้ Hardware จะเร็ วกว่าแต่ ยิ่งมีสว่ น Hardware มาก ต้ นทุนของระบบก็จะยิ่งสูงขึ ้นเพราะไม่ เช่น 7-segment encoder  Language/Compiler ภาษาและคอมไพเลอร์ ที่ใช้ จะมีผลกับขนาดของโปรแกรม 6. Electromagnetic Compatibility (EMC) EMC คือ ความสามารถของระบบไฟฟ้ าที่ทางานได้ ถกู ต้ องภายใต้ สภาพแวดล้ อมที่เต็มไปด้ วยการสอดแทรกทาง แม่เหล็กไฟฟ้ า และ ไม่เป็ นแหล่งกาเนิดสัญญาณรบกวนต่อสภาพแวดล้ อม EMC regulations กาหนดปริ มาณของ พลังงานทีเ่ ครื่ องใช้ ไฟฟ้ าจะแผ่ออกมาเพื่อป้องกันไม่ให้ ไปรบกวนการทางานของอุปกรณ์ตวั อื่นๆ โดยทัว่ ไปแล้ ว อุปกรณ์ที่ใช้ ความถี่สงู จะมีการแผ่พลังงานออกมาก ปั จจุบนั มาตรฐาน EMC ถูกกาหนดขึ ้นเพื่อใช้ กบั อุปกรณ์ที่มี ความถี่สงู ตังแต่ ้ 30 MHz ขึ ้นไป 2

Lecture 9 Noise Noise คือสัญญาณใดๆที่ไม่ต้องการ ความหนาแน่นของสเปคตรัมกาลัง (Power Spectrum Density, PSD) ของสัญญาณ รบกวนในแต่ละช่วงความถี่ (Bandwidth) จะมีคา่ ไม่เท่ากัน แต่สญ ั ญาณรบกวนทีม่ ีคา่ PSD คงทีใ่ นทุกความถี่จะเรี ยกว่า White Noise สัญญาณเหล่านี ้ไม่สามารถถูกกาจัดให้ หมดสิ ้นไปได้ แต่สามารถลดทอนลงได้ 1. Spikes or Transient Noise สัญญาณรบกวนทีเ่ กิดไม่สมา่ เสมอ เช่น กระแสกระชาก การเปิ ดปิ ดหน้ าสัมผัสในสวิตช์ ฟ้ าผ่า 2. Steady or Frequency Noise สัญญาณรบกวนทีเ่ กิดสมา่ เสมอ เช่น ไฟบ้ าน คลืน่ วิทยุ สัญญาณรบกวนที่มีความหนาแน่นสเปคตรัมคงทีใ่ นทุกช่วง ความถี่เรี ยกว่า White Noise Signal-to-Noise Ratio อัตราส่วนระหว่างสัญญาณรบกวนกับสัญญาณทีต่ ้ องการ ปกติจะบอกมาในหน่วย decibel (dB) A  SNR  20log10  Signal   ANoise 

Sources of Noise 1. Internal sources อาจเกิดจากตัวอุปกรณ์เองเนื่องจากปรากฎการณ์สมุ่ (Random) ในอุปกรณ์ไฟฟ้ าและการ เสือ่ มสภาพ แบ่งเป็ น o Thermal Noise เกิดจากการเคลือ่ นที่แบบสุม่ ของอิเล็กตรอน เมื่อมีอณ ุ หภูมิสงู ขึ ้น เนื่องจากได้ รับพลังงาน ความร้ อน เพราะฉะนันสั ้ ญญาณรบกวนนี ้จะเกิดขึ ้นในอุปกรณ์ที่มกี ารสูญเสียพลังงานในรูปความร้ อน เป็ น white noise และเป็ นสัญญาณรบกวนเบื ้องต้ นในทุกวงจร o Shot Noise เกิดจากการเคลือ่ นที่แบบสุม่ ของพาหะไฟฟ้ าข้ ามรอยต่อ p-n เมื่อมีกระแสไฟตรงไหลในไดโอด และทรานซิสเตอร์ เป็ น white noise เช่นกัน o Flicker Noise เกิดจากการติดกับ (trap) ของพาหะนาไฟฟ้ า จากความไม่บริ สทุ ธิ์ (contamination) และ ความไม่สมบูรณ์ (defect) ในสารกึ่งตัวนา เป็ นแหล่งกาเนิดสัญญาณรบกวนทีม่ ีกาลังงานมาก ความถี่ตา่ ค่า PSD แปรผกผันกับความถี่ บางทีเรียกว่า Pink Noise o Contact Noise เกิดจากการเปลีย่ นแปลง impedance ระหว่างหน้ าสัมผัสที่ตอ่ กันแบบไม่คอ่ ยดีในอุปกรณ์ เช่น switch, relay o Popcorn Noise หรื อ Burst Noise เกิดจากความไม่สมบูรณ์ของรอยต่อโลหะหรื อ semiconductor ซึง่ เป็ น ผลจากขบวนการผลิตที่ไม่ได้ คณ ุ ภาพ Noise ชนิดนี ้ เมื่อนาไปใส่เครื่ องขยายเสียงจะเป็ นเสียงคล้ ายๆ การ pop ของ popcorn และไม่ได้ เกิดขึ ้นอย่างสม่าเสมอ 2. External sources o Conductive coupled noise เข้ าสูว่ งจรจากการเชื่อมต่อโดยตรงระหว่างวงจรหรื อ จาก External equipments โดยการต่อวงจรที่หรื ออุปกรณ์ที่กาเนิด noise สูงเข้ ากับวงจรจาก Transmission lines บาง กรณีเกิดจากแหล่งกาเนิดไฟฟ้ าหรื ออุปกรณ์อื่นๆแล้ วเข้ ามากับสายไฟ เมื่อสายไฟวิง่ ผ่านสภาพแวดล้ อมที่มี สัญญาณรบกวน 3

Lecture 9 o Capacitive coupled noise อะไรก็ตามทีเ่ ป็ นตัวนาไฟฟ้ าอยูใ่ กล้ กนั คัน่ ด้ วยสารกึ่งตัวนาจะเป็ นเหมือน C เกิดจากอุปกรณ์ที่อยูใ่ กล้ ๆ และจากสายส่งสัญญาณ

o Magnetically coupled noise เช่น Cross talk เนื่องจากเมื่อมีกระแสผ่านขดลวดจะทาให้ เกิด สนามแม่เหล็ก และสนามแม่สามารถเหนี่ยวนาให้ เกิดกระแสไหลในขดลวดอื่นๆได้ เกิดจากสายทีอ่ ยูใ่ กล้ ๆ กัน ขึ ้นอยูก่ บั  ระยะทางระหว่างสาย  ความแรงของสัญญาณในสาย  ความถี่ของสัญญาณในสาย หรื อเกิดจากอุปกรณ์ที่อยูใ่ กล้ ๆ โดยเฉพาะอุปกรณ์ที่เกี่ยวกับไฟแรงสูง หรื ออุปกรณ์ที่ใช้ หลักการของ แม่เหล็กไฟฟ้ า

4

Lecture 9 Noise Reduction o o o o o o o o

Shielding Grounding Balancing Filtering Isolation, separation and orientation Circuit impedance level control Cable design Cancellation techniques

Shielding Michael Faraday สังเกตเห็นว่าประจุจะอยูบ่ นผิวด้ านนอกของตัวนาเท่านันและไม่ ้ มีผลอะไรกับสิง่ ที่อยูภ่ ายใน

Faraday shields ป้องกันอุปกรณ์จาก electromagnetic noise โดย coupling noise สูต่ วั shield แทนที่จะเข้ าสูอ่ ปุ กรณ์และ ทาตัวเป็ น ground สาหรับกระแสที่เกิดจากการเหนีย่ วนาโดย electromagnetic noise Faraday shields ควรทาจากสารแม่เหล็กและต่อกับไฟลบเพื่อให้ ผลักประจุลบและดึงประจุบวก การ shield ที่ดีควรหุ้ม สายไฟทังเส้ ้ นด้ วย shield และต่อ shield ลงกราวน์แต่ในทางปฏิบตั ิสายไฟจะยื่นออกมานอก shield

5

Lecture 9

Grounding การ Ground ที่เหมาะสมเป็ นวิธีที่ดีและประหยัดที่สดุ การลด Noise ในทางทฤษฎี Ground หมายถึงจุดหรื อระนาบที่มี ศักดาไฟฟ้าเท่ากันและทาหน้ าที่เป็ นศักดาไฟฟ้ าอ้ างอิงของวงจรและระบบ ในทางปฏิบตั ิ Ground เป็ นจุดร่วม (common) และ เป็ นทางกลับซึง่ มี Impedance ตา่ ของสัญญาณ (return path) ไปยังแหล่งจ่าย ดังนัน้ Ground ไม่ได้ เป็ น 0 V และ 0 Ω หรื อ มีศกั ดาไฟฟ้าเท่ากันทุกจุดอย่างแท้ จริ ง ในบางกรณีจึงมีการเกิด กระแสไหลในสาย คือมี Ground Loop เกิดขึ ้น (ลักษณะเป็ น เส้ นหรื อแนวและมีการมาบรรจบกันที่ใดที่หนึง่ เกิดเป็ นวง หรื อ Loop) เส้ นทางการวิง่ กลับและพื ้นที่ Loop จะมีผลต่อ Magnetically coupled noise ดังรูป

6

Lecture 9

วิธีการแก้ ไข ground loop ระหว่างสองวงจรอาจทาได้ โดย แยกวงจรทังสองโดยใช้ ้ a) หม้ อแปลง b) โช๊ กร่วม (common-mode choke) c) การเชื่อมโยงแบบแสง (optical coupler) d) วงจรสมมาตร e) กราวด์ผสม

Ground เป็ นจุดที่ Noise จะเข้ ามาสูร่ ะบบ ถ้ าไม่มี Ground จะไม่คอ่ ยมีสญ ั ญาณรบกวนแต่อนั ตราย ดังรูป

การ Ground มี 2 ประเภทคือ 1. การ Ground เพื่อความปลอดภัย (Safety Ground) ซึง่ ต่อกับศักดาไฟฟ้ าของโลกเรี ยกว่า Earth ground หรื อใน บางครัง้ มีการต่อผ่านตัวถังหรื อ Case เรี ยกว่า Chassis Ground กรณีที่เป็ นการต่อ ground (ซึง่ ส่วนใหญ่คือ Earth ground) กับ Faraday Shield อาจเรี ยกว่า Shield ground 7

Lecture 9 2. การ Ground สัญญาณ (Signal ground หรื อ Common) เป็ นจุดของสัญญาณที่มศี กั ย์ไฟฟ้ าเท่ากัน a. Earth ground b. Chassis Ground c. Common รูปแสดงสัญญลักษณ์ของ Ground แบบต่างๆ การ Ground แบ่งเป็ น  Single-point ground

การต่อ Ground แบบอนุกรมต่อได้ ง่ายแต่มีแนวโน้ มที่จะมีการเชื่อมโยง noise แบบอิมพีแดนซ์ร่วม (common-impedance coupling) เนื่องจากสายไฟมี impedance

การต่อ Ground แบบขนานทางานได้ ดีที่ความถี่ต่าแต่ มีการเดินสายไฟที่ยงุ่ ยาก การต่อ Ground แบบ single-point ไม่เหมาะสมสาหรับวงจรความถี่สงู เนื่องจาก อินดักแตนซ์ในตัวนากราวด์จะมีคา่ มากที่ ความถี่สงู อิมพีแดนซ์ของกราวด์และ ตัวนากราวด์จะกลายเป็ นสายอากาศแผ่ noise

8

Lecture 9  Multi-point ground การใช้ กราวด์หลายจุดทาให้ เกิดอิมพีแดนซ์ต่าโดยใช้ ตวั นากราวด์ขนานกันจานวนมากเป็ นตาราง (grid) หรื อระนาบ (plane) ที่มีขนาดใหญ่ทาให้ impedance ระหว่าง Ground ต่าและเชื่อมต่อไปยังวงจรย่อยอีกที ข้ อเสียคือ อาจเกิดกราวด์ ลูป ทาให้ เกิดการรับ noise โดยการเชื่อมโยงสนามแม่เหล็ก วิธีการแก้ ไขที่ดีที่สดุ คือพยายามทาให้ ground ทุกจุดมี impedance เท่ากัน

Multi-point ground เหมาะสมสาหรับวงจรความถี่สงู และวงจรดิจิตอล เพราะมีอิมพีแดนซ์ระหว่าง Ground ต่า แต่การต่อแบบ นี ้ ไม่เหมาะสมสาหรับวงจรความถี่ต่าเนื่องจากมีเส้ นทางวิง่ กลับของกราวด์ร่วมกัน นอกจากนัน้ การเคลือบผิวกราวด์ด้วยเงิน (silver) ทาให้ อมิ พีแดนซ์ลดลง และความยาวของตัวนาที่เชื่อมระหว่าง Ground กับตัวอุปกรณ์ควรสันที ้ ่สดุ เพื่อลดอินดักแตนซ์  Hybrid ground Hybrid ground เป็ นกราวด์ที่มีคณ ุ สมบัติตา่ งกันทีความถี่ตา่ งกันดังรูป

9

Lecture 9

การต่อ Ground ดังรูปทาให้ วงจรมี Ground จุดเดียวที่ความถี่ตา่ และ Ground หลายจุดที่ความถี่สงู

การต่อ Ground ดังรูปทาให้ วงจรมี Ground จุดเดียวที่ความถี่สงู และ Ground หลายจุดที่ความถี่ตา่ Note: TTL ICs สร้ างโดยวิธีเดียวกับ BJT ดังนันจึ ้ งใช้ Vcc / Vee แต่ CMOS ICs สร้ างโดยวิธีเดียวกับ FET จึงใช้ Vdd / Vss ดังแสดงใน ตาราง Vcc

Vdd

V+

Vs+

Positive supply Voltage

Vee

Vss

V-

Vs-

Negative Supply Voltage

ปั ญหาในระบบ Ground ส่วนใหญ่เกิดมากจากการเชื่อมโยงอิมพิแดนซ์ร่วม (common-impedance coupling) เนื่องจากโดย ปกติคา่ อินดักแตนซ์ในตัวนาที่เป็ น Ground มาก Ground จึงมีอิมพิแดนซ์สงู และ มีกระแส Ground มากเนื่องจากการ 10

Lecture 9 เชื่อมโยงสนามแม่เหล็ก การใช้ Ground จุดเดียวทาให้ เกิดการแยกกระแส Ground ให้ ไหลในตัวนาต่างกันแต่การทาเช่นนี ้ มี ประสิทธิภาพต่าที่ความถี่สงู เนื่องจาก L และ C แอบแฝง วงจรดิจิตอลเป็ นวงจรความถี่สงู จึงควรใช้ กราวด์หลายจุดสาหรับ สัญญาณ และกราวด์จดุ เดียวสาหรับแรงดันไฟเลี ้ยง สายสัญญาณแบบต่ างๆ 1. Twisted-pair ทาให้ เกิดการหักล้ างกันของสนามแม่เหล็กระหว่างแต่ละสาย เหมาะกับความถี่สงู ถึงประมาณ 10 KHz ประสิทธิภาพการลด Noise ขึ ้นอยูก่ บั จานวนรอบของการพันเกลียว

2. Coaxial cable เหมาะกับความถี่สงู ถึงประมาณ 100 MHz

3. สายแพ (Ribbon Cable) ทาไห้ ตอ่ สายไฟหลายเส้ นได้ งา่ ย

11

Lecture 9 เปรียบเทียบการ shield และ การ ground แบบต่ างๆ

จากรูป การลดทอน (Attenuation) ยิ่งน้ อยยิง่ ดี Noise Reduction in PCB design 1. ปั จจุบนั วงจรไฟฟ้ ามีขนาดเล็กลง (ขนาดของสัญญาณก็เล็กลงด้ วย) และความถี่ของสัญญาณมีขนาดสูงขึ ้น ทาให้ ถกู รบกวนได้ งา่ ยแยกวงจรทีเ่ ป็ น analogue, digital และ power supply โดยวงจรประเภทเดียวกันควรอยูด่ ้ วยกันบน PCB วงจรทีเ่ ป็ น low voltage analogue จะเป็ นวงจรที่ถกู รบกวนได้ ง่ายที่สดุ และ high speed digital จะเป็ นวงจรที่ ให้ กาเนิด noise หรื อวงจรที่มีสญ ั ญาณขนาดเล็กควรช์กราวด์ร่วมกัน วงจรที่มีสญ ั ญาณขนาดใหญ่ควรใช้ กราวด์ แยกกัน การเชื่อมต่อวงจรที่ตา่ งกันเข้ าด้ วยกันอาจทาโดยใช้ buffer หรื อ isolator

12

Lecture 9

การจัดส่ วนวงจรบนแผ่น PCB

13

Lecture 9

นอกจากอุปกรณ์ทางกล เช่น motor, relay ที่จะเป็ นแหล่งกาเนิด Noise แล้ ววงจรดิจิตอลซึง่ ทางานด้ วยความเร็วสูงก็เป็ น แหล่งกาเนิด Noise เช่นกัน ดังรูป

โดยทัว่ ไปแล้ ว วงจร Low Voltage Analogue เป็ นวงจรที่ได้ รับผลกระทบจากสัญญาณรบกวนมากที่สดุ เนื่องจาก ขนาดของ Noise มีขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับขนาดสัญญาณ และทาให้ S/N มีคา่ ต่าไปด้ วย

2. พยายามให้ มีการหักมุมและ ground loops น้ อยที่สดุ บน PCB 3. มี Ground planes เพื่อลด noise จากรูปเป็ น PCB แบบหน้ าเดียวลายทองแดงด้ านซ้ ายเป็ นไฟ+ ด้ านขวาเป็ นไฟ- จะเกิดสนามไฟฟ้ าขึ ้นที่ด้านบนและ ด้ านล่าง PCB หลังจากเท Ground Plane แล้ วสนามไฟฟ้ าด้ านล่างจะหายไป เนื่องจาก Ground Plane จะเป็ นตัว Shield ไว้

14

Lecture 9

4. Ground plane ควรมีความต่อเนือ่ งกันตลอด ถ้ ามีสว่ นไหนที่ไม่ตอ่ เนื่องอาจทาให้ เกิดเป็ นลักษณะของวงรอบ (Loop) ขึ ้นมาได้ 5. ขนาดของเส้ นขึ ้นอยูก่ บั ปริ มาณกระแสที่ไหลผ่านและความหนาของชันตั ้ วนาบนแผ่น PCB โดยทัว่ ไปแล้ ว ขนาดใหญ่ จะสามารถทนกระแสได้ สงู กว่า และมีความต้ านทานต่ากว่า มีคา่ ความเหนี่ยวนาไฟฟ้ าต่า และสร้ างได้ งา่ ยกว่า โดย ปกติช่องว่างระหว่างจะมีขนาดเท่ากับเส้ น ขนาดของเส้ นควรมีขนาด 0.5-1 mm. สาหรับการทาแผ่น PCB ด้ วยตัวเอง แต่ถ้าหากเป็ นการออกแบบที่ถกู ต้ องแล้ วต้ องคานวนขนาดของเส้ นและช่องว่างระหว่างเส้ นตามทฤษฎีและมาตรฐาน ดังแสดงในตาราง

6. เส้ นควรมีขนาดสมา่ เสมอตลอดทังเส้ ้ น 7. เส้ นควรมีการหักมุม 45˚ เท่านัน้ ไม่ควรมีการหักมุม 90 ˚ และไม่ควรเกินกว้ างเกิน 90 ˚ การหักมุมไม่ได้ มีผลอะไร กับการเกิดสัญญาณรบกวน เพียงแต่ทาให้ วงจรดูเรี ยบร้ อยและง่ายต่อการสร้ าง 8. ควรวางเส้ นให้ ผา่ นกลางจุดลงขาอุปกรณ์เสมอ 9. เส้ นที่เป็ นไฟเลี ้ยงควรมีขนาดใหญ่เท่าที่จะเป็ นไปได้ 10. ถ้ าเส้ นมีขนาดเล็ก ควรมีการเพิ่มลายตัวนาบริ เวณรอยต่อตัว T ดังรูปเพื่อเป็ นการหลีกเลีย่ งการ มุม 90 ˚ ทาให้ ขณะกัดแผ่นน ้ายาจะไม่เซาะลายตัวนาตรงมุมออกมากเกินไปและทาให้ ดดู ี 11. จุดลงขาอุปกรณ์ควรมีเส้ นผ่าศูนย์กลางขนาดใหญ่กว่ารูสาหรับลงขาอุปกรณ์อย่างน้ อย 1.8 เท่า หรื ออย่างน้ อยใหญ่กว่า 0.5mm. ทังนี ้ ้เพื่อเผื่อไม่ให้ ความผิดพลาดในการเจาะรูทาให้ ลายวงจรโดนสว่านหายไป 12. จุดลงขาอุปกรณ์อย่าง resistors, capacitors และ diodes ควรเป็ นวงกลมมีขนาดเส้ นผ่าศูนย์กลางประมาณ 2mm. ส่วนอุปกรณ์ที่มีขาเป็ นแถวเช่น IC ควรใช้ รูปวงรี กว้ าง 1.5mm. ยาว 2.5mm. โดยที่ขาแรกเป็ นรูปสีเ่ หลีย่ มผืนผ้ า. 15

Lecture 9 13. รูสาหรับลงขาอุปกรณ์ไม่ควรมีหลายขนาด การทารูหลายขนาดทาให้ ผ้ ผู ลิตต้ องเปลีย่ นหัวสว่านในการเจาะรูหลาย ครัง้ 14. ถ้ าเป็ นไปได้ ควรเพิ่ม “teardrops” จุดลงขาอุปกรณ์ หรื อจุดเชื่อมระหว่าง layers ดังรูปเพื่อหลีกเลีย่ งการ เกิดมุม 15. ควรเชื่อม logic ground เข้ ากับโครงของอุปกรณ์เสมอ โดยเฉพาะบริ เวณที่เป็ นจุดต่อ input/output 16. เพิ่มการเชื่อม logic ground เข้ ากับโครงของอุปกรณ์บริ เวณทีเ่ ป็ น clock/oscillator 17. วงจรแต่ละประเภทควรมี ground ของตนเอง โดยเฉพาะวงจรทีเ่ ป็ นแหล่งกาเนิด noise ไม่ควรใช้ ground ร่วมกับ วงจรที่ไวต่อ noise จุดเชื่อมต่อ grounds ของวงจรเหล่านี ้ เข้ ากับ ground แหล่งจ่าย ควรจะมีจดุ เดียวและมีการ filter เพื่อลด noise จากแหล่งจ่าย

18. วางวงจรที่แผ่คลืน่ แม่เหล็กไฟฟ้ ามากที่สดุ เช่น วงจรความถี่สงู ไว้ ภายในและล้ อมรอบด้ วยวงจรที่แผ่คลืน่ แม่เหล็กได้ รองลงมาตามลาดับดังรูป

16

Lecture 9

19. วางเส้ นทางไปและกลับของสัญญาณไว้ ใกล้ ๆกันเพื่อให้ เกิดการหักล้ างของสนามแม่เหล็ก ดังรูป

20. ระยะระหว่างอุปกรณ์กบั Ground ควรมีขนาดสันที ้ ่สดุ เท่าที่จะเป็ นไปได้ เพราะฉะนันถ้ ้ าทาได้ ควรคลุมที่วา่ งใน PCB ด้ วย Ground 21. วางเส้ นไฟเลี ้ยงกับ ground ให้ ใกล้ กนั มากที่สดุ การทาเช่นนี ้จะทาให้ พื ้นที่ในวงรอบทีก่ ระแสวิ่งน้ อยลง และทาให้ อัตราการเกิดสัญญาณรบกวนน้ อยลง 22. ไม่ควรวางเส้ นไฟเลี ้ยงหรื อ ground ผ่าเข้ าไปยังบริเวณทีม่ ีตวั อุปกรณ์เยอะๆ 23. ถ้ าเป็ นวงจรที่มีสญ ั ญาณความถี่สงู กว่า 25 Hz ควรมี ชัน้ ground 2 อันขึ ้นไป 24. ใช้ capacitor decoupling จะช่วยป้องกัน voltage spike ทาให้ supply voltage ของ IC คงที่

Capacitor ตัวนี ้ควรเป็ น disk ceramic หรื อ multilayer ceramic โดยค่า C จะมีคา่ เท่ากับ 17

Lecture 9 C

dIdt dV

เมื่อ dV เป็ น transient voltage ที่เกิดขึ ้นใน power supply เนื่องจาก transient current dI ในช่วงเวลา dt เช่น ถ้ าตัว IC ต้ องการ transient current 50 mA เป็ นเวลา 2ns ถ้ าต้ องการควบคุมให้ transient voltage มีคา่ ไม่เกิน 0.1 V decoupling capacitor ควรจะมีคา่ อย่างน้ อย 0.001 uF ถ้ าในวงจรมี IC เกิน 20 ตัวก็ควรจะมิ Decoupling capacitor ขนาดเท่ากับสิบเท่าของ Decoupling capacitor ทุกตัวรวมกันต่อณจุดที่ไฟเลี ้ยงเข้ าสูว่ งจร 25. ใช้ 1 หรื อ 3 dimensions Faraday shields เช่น ใส่กล่องโลหะเพือ่ ป้องกันการเชื่อมโยง noise แบบสนามไฟฟ้ า 26. ควรต่อชิลด์เข้ ากับขารวม (common) ของวงจร และต่อ heat sinks กับ ground 27. ส่วนของ Oscillator ที่ป้อน clock ให้ วงจรทางาน ในการออกแบบนันควรพยายามใช้ ้ ความถี่ที่ตา่ ที่สดุ ที่วงจรสามารถ ทางานได้ การใช้ ความถี่ที่ตา่ ลง ช่วยลดค่า XL, XC ในลายทองแดง ช่วยลดความร้ อนและพลังงานใน Core Microcontroller สาหรับการออกแบบ PCB ที่ดี จะต้ องมี Ground Plane รอบๆ XTAL หรื อจะบัดกรี ตวั ถัง XTAL ลง Ground Plane ด้ วย และจะต้ องเดินลายทองแดงจาก Microcontroller ไปยัง XTAL ให้ สนที ั ้ ่สดุ สาหรับตัวอย่างการ วางอุปกรณ์ บน 2 sided PCB จาก Application Note ของ ATMEL

28. การเว้ นระยะห่างระหว่างลายวงจรกับจุดยึดน๊ อตควรมีคา่ มากกว่า 0.75 mm

18

Lecture 9 29. ควมยาวขาอุปกรณ์ควรเท่ากันทังสองด้ ้ าน

29. การหักมุมขาอุปกรณ์ควรเป็ นไปดังรูป

30. การใส่ตวั อุปกรณ์ไม่ควรเอียงเกินกว่าที่แนะนาดังแสดงในรูป

19

Lecture 9 31. รอยต่อระหว่างตัวอุปกรณ์กบั ขาของมันควรสูงกว่าแผ่น PCB ประมาณ 0.25 mm. ขึ ้นไปดังรูป

การติดตัง้ อุปกรณ์ ป้องกันฟ้าผ่ า บนแผ่น PCB อุปกรณ์ป้องกันจะติดตังใกล้ ้ ๆกับ connector ที่เชื่อมต่อกับสายไฟจากข้ างนอก เช่น การใช้ GDT (Gas discharge tube) ร่วมกับ MOVs (Metal oxide varistor) และ Transorbs (Bi-directional semiconductor) ดังรูป

20