در ادامه مجموعه مقالات پیشین، برد الکترونیکی دیجیتال: منابع نویز و آسیب‌ها، با نویز و منابع آن و همچنین تاثیرات نویز در مدارات الکترونیکی آشنا شده ایم. همچنین انواع روش‌های حفاظت از بردهای الکترونیکی در برابر نویز و انواع کوپلینگ‌ها در مدارات معرفی شده اند. در ادامه‌ی روش‌های محافظت از نویز قصد داریم با تکنیک‌های زمین کردن در طراحی برد الکترونیکی و تاثیری که این نکته‌ی مهم در عملکرد مدارات الکترونیکی دارند بپردازیم.
به طور کلی دو نوع زمین وجود دارد:
- earth ground که معمولا به (earth) شناخته می‌شود.
- signal ground که معمولا به (ground) شناخته می‌شود.
نکته مهمی که در ابتدا باید بیان شود تفاوت بین earth و ground در مدارات الکترونیکی است. Earthing به معنای اتصال فیزیکی مدار به زمین است که صفر مطلق است. در حالی که در Grounding مدار از نظر فیزیکی به زمین متصل نیست، اما پتانسیل آن با توجه به سایر نقاط صفر است. ground منبع جریانهای ناخواسته و همچنین به‌عنوان مسیر برگشت جریان اصلی در بعضی مواقع است. در حالی که earth نه برای مسیر برگشت بلکه فقط برای محافظت از تجهیزات انجام می‌شود تا از برق گرفتگی و آسیب دیدن تجهیزات جلوگیری شود. چرا که earth یک سطح هم‌پتانسیل نبوده در نتیجه پتانسیل آن متغیر است. با این حال، مدارها اغلب برای محافظت در برابر شوک‌های الکتریکی به earth متصل می‌شوند.
سیستم توزیع برق تک سیم فاز ۳ سیم شکل زیر را در نظر بگیرید؛ اگر بار دارای محفظه فلزی باشد در صورتیکه ناخواسته سیم فاز با بدنه برخورد کند خطر شوک الکتریکی (خطر برق گرفتگی) را به همراه دارد مگر اینکه، خود محفظه به earth متصل باشد. این اتصال محفظه به عنوان زمین ایمنی safety ground نامیده می‌شود.
Ground
ground یک نقطه واحد در مدار است که به عنوان گره مرجع مدار تعیین می‌شود و پتانسیل آن نسبت به سایر نقاط مدار صفر است. معمولاً به سیم‌هایی که به این گره مرجع وصل می‌شوند ground نیز گفته می‌شود. شیوه اتصال این سیم‌ها به گره مرجع، اساس تمایز بین سه نوع سیم کشی ground است که در شکل زیر نشان داده شده‌است.
-
سِری
از بین روش‌های مختلف، اتصال سری به دلیل سادگی و مقرون به صرفه بودن، بسیار متداول است اما به دلیل کوپلینگ امپدانس زمین مشترک بین مدارها از سایر روش‌ها نویزی‌تر است.
هنگامی که چندین مدار در یک سیم زمین مشترک اند جریانهای یک مدار که از طریق زمین مشترک جریان می‌یابد، باعث ایجاد تغییر در پتانسیل زمین مدارهای دیگر می‌شوند. با توجه به محتمل بودن رخداد spike در یک مدار الکترونیکی دیجیتال، این موضوع می‌تواند در جریان بالا یا شرایط نویزی باعث ایجاد خطاهای بیت شود.
-
موازی
اتصال موازی مشکلات امپدانس زمین مشترک در روش سری را ندارد، اما از سیم زیادی استفاده می‌کند که خود باعث افزایش هزینه است. همچنین امپدانس هر خط زمین می‌تواند بسیار زیاد باشد و درنتیجه خطوط زمین می‌توانند منبع EMI شوند.
-
چند نقطه ای
در روش اتصال چندنقطه ای مقاومت زمین با استفاده از یک صفحه زمین به حداقل می‌رسد. این نوع اتصال عمدتا در مدارهای RF بالای ۱۰ مگاهرتز استفاده می‌شود.
ترکیبی از روش‌های اتصال سری و موازی می‌تواند مصالحه ای بین هزینه و ملاحظات مختلف الکتریکی باشد. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده‌است اتصالات سری برای مدارهایی که دارای خاصیت نویز مشابه هستند اجرا می‌شود و سپس مشابه روش موازی، آنها در یک گره مرجع متصل می‌شوند.
شکل زیر روش‌های درست و نادرست اتصالات زمین در دو rack را نشان می‌دهد. Rack1 به طور صحیح ground را فقط در گره مرجع واحد به rack ground متصل می‌کند. Rack2 به طور نادرست ground را در دو نقطه به rack ground متصل می‌کند و یک حلقه زمین در اطراف نقاط ۱، ۲، ۳، ۴، ۱ ایجاد می‌کند.
کابل های بافته
یکی از کارهایی که می‌توان برای کاهش امپدانس زمین استفاده کرد، طبق اثر پوستی (skin effect) استفاده از کابل‌های بافته است. اثر پوستی پدیده‌ای است که در خطوط انتقال برق یا مخابرات که جریانهای متناوب (با فرکانس‌های کم یا زیاد) را منتقل می‌کنند، رخ داده و منجر به کاهش چگالی جریان در مرکز (محور) سیم و افزایش آن در لایه‌های بیرونی یا پوسته سیم می‌شود. در فرکانس‌های بالاتر جریان بیشتر از سطح یک رسانا جریان می‌یابد تا به صورت یکنواخت و از طریق بخش عمده آن. اگرچه این اثر تمایل به افزایش امپدانس یک هادی داده شده دارد، اما همچنین یک روش به حداقل رساندن امپدانس است، و این یعنی دستکاری شکل سطح مقطع به منظور فراهم آوردن سطح بیشتر.
نویز و خطوط تغذیه
نکته اساسی که در خطوط توزیع تغذیه همانند خطوط سیگنال، حائز اهمیت است به حداقل رساندن مساحت حلقه‌های جریان است. اما به دلیل گستردگی حلقه‌های جریان تغذیه، کوچک نگه داشتن مساحت حلقه‌های جریان دشوار است که در نتیجه یک نویز بر روی خط تغذیه می‌تواند بر هر برد تاثیرگذار باشد. لذا می‌توان اینگونه برداشت کرد که به حداقل رساندن مساحت حلقه‌های جریان در خطوط تغذیه از اهمیت بیشتری برخوردار است.
منبع تغذیه، جریان فرکانس پائین را برای بار فراهم می‌کند، اما با وجود اندوکتانس شبکه توزیع، حفظ مقدار مطلوب VCC که یک سیستم دیجیتال به آن نیاز دارد ضمن تأمین spike های جریان کار دشواری است. علاوه بر این، چون حلقه جریان منبع تغذیه بسیار بزرگ است، باعث ایجاد نویز‌های زیادی می‌شود. شکل زیر یک بار را نشان می‌دهد که در آن منبع تغذیه از طریق امپدانس خط spike های جریان را تامین می‌کند.
در شکل زیر یک خازن دکوپلاژ به مدار اضافه شده‌است که می‌تواند دو مشکل را حل کند:
خازن به عنوان یک منبع نزدیک شارژ می‌تواند spike های جریان را از طریق یک امپدانس خط کوچکتر تأمین همچنین مساحت حلقه بسیار کوچکتر را برای اجزای فرکانس بالای EMI ایجاد کند.
حلقه جریان برای جریانهای فرکانس بالاتر، به جای منبع تغذیه و بار، توسط خازن دکوپلاژ و بار تعریف می‌شود. برای این که خازن دکوپلاژ بتواند spike جریان مورد نیاز بار را تأمین کند، اندوکتانس این حلقه جریان باید کوچک نگه داشته شود در واقع گویی مساحت حلقه باید کوچک باشد.
خازن دکوپلاژ
در حالت کلی دو نوع خازن دکوپلاژ وجود دارد:
- دکوپلاژ برد
- دکوپلاژ تراشه
دکوپلاژ برد، بطور معمول یک خازن الکترولیتی ۱۰ تا ۱۰۰ میکرو فاراد است که در نزدیکی جایی که منبع تغذیه به برد وصل می‌شود قرار می‌گیرد. هدف از دکوپلاژ برد، شارژ مجدد خازن دکوپلاژ تراشه است.
دکوپلاژ تراشه در واقع همان تامین کننده spike جریان برای تراشه است. دکوپلاژ تراشه به طور معمول خازنی سرامیکی ۰.۱ تا ۱ میکرو فاراد است که در نزدیکی تراشه قرار می‌گیرد و مساحت حلقه ایجاد شده توسط خازن و تراشه را به حداقل می‌رساند. اگر یک دکوپلاژ تراشه به خوبی بر روی برد جانمایی نشود، تاثیری نخواهد داشت و تنها باعث افزایش هزینه می‌شود. جانمایی درست و نادرست خازن‌های دکوپلاژ در شکل زیر نشان داده شده‌است.
اثربخشی خازن دکوپلاژ ارتباط زیادی با نحوه اتصال تغذیه و زمین این خازن به تراشه دارد. در حقیقت، مساحت ایجاد شده توسط این حلقه از مقدار خازن اهمیت بیشتری دارد.
از آنجائیکه مساحت این حلقه همیشه باید حداقل باشد، بنابراین هرچه مقدار خازن دکوپلاژ بزرگتر و جنس دی الکتریک از میکا، سرامیک، شیشه و یا پلی استایرن باشد، کارایی بیشتری دارد.
در اغلب موارد به دو دلیل دکوپلاژ تراشه نباید دارای یک مقدار خیلی بزرگ باش. اولا؛ برخی از خازن‌ها به دلیل ماهیت دی الکتریک آنها در فرکانس‌های بالا خاصیت القایی پیدا می‌کنند. این در مورد خازن‌های الکترولیتی صادق است، اما دی الکتریک میکا، شیشه، سرامیک و پلی استایرن به خوبی تا چند صد مگاهرتز کار می‌کنند. دلیل دیگر ذکر شده برای عدم استفاده از ظرفیت زیاد، مربوط به اندوکتانس داخلی است.
خاصیت القایی فقط در سلف‌ها وجود ندارد. در حقیقت، هر سیم یا قطعه ای که از طریق آنها جریان عبور می‌کند، میدان‌های مغناطیسی و در نتیجه آن اندوکتانس ایجاد می‌کنند.
خازن با اندوکانس داخلی آن، یک مدار سری LC را تشکیل می‌دهد. در فرکانس‌های کمتر از رزونانس، امپدانس خالص خازنی و بالاتر از آن فرکانس، امپدانس خالص القایی است. بنابراین یک خازن دکوپلاژ فقط در مقادیر کمتر از فرکانس رزونانس، خازن است!
سخن آخر
حتی اگر کسی تمام نکات مربوط به طراحی برد الکترونیکی در شرایط نویزی را رعایت کند، باز هم برای یک نویز گذرا ایجاد تداخل در عملکرد مدار امکان پذیر است. بنابراین دیگر، حفاظت مدار و یا نکاتی که در ارتباط با نویز گفته شده اند کارا نیستند بلکه در این موارد باید به فکر ترمیم و بازیابی مدار باشیم.
بازیابی مدار شامل سخت‌افزار و یا نرم‌افزار دیگری است که قرار است پس از بروز عیب(upset) نرم‌افزاری، سیستم را به حالت عادی بازگرداند. در این حالت دو تصمیم باید اتخاذ شود
۱. چگونه تشخیص دهیم چه موقع عیب رخ داده است و
۲ . در آن هنگام چه کاری انجام شود؟
اگر طراح بداند خروجی‌های متداول سیستم چگونه است، می‌تواند از گیت‌ها و فلگ‌ها به منظور تشخیص وقوع یک حالت غیر معمول استفاده کند. همچنین با استفاده از فلگ‌ها می‌توان به یک روتین بازیابی برنامه پرش کند که در نتیجه می‌تواند داده‌ها را دوباره چک یا مجدداً مقداردهی کند، همچنین می‌تواند پیام خطایی را تولید و یا یک تنظیم مجدد ساده ایجاد کند.
در این مقاله و مقالات پیشین در رابطه با نویز و حفاظت در برابر نویز، سعی بر این بوده تا به نکات نسبتا ساده و البته کاربردی در طراحی برد الکترونیکی پرداخته شود. اکنون می‌دانیم طراحی مداری که حتی در شرایط نویزی نیز بتواند عملکرد مطلوبش را حفظ کند دور از انتظار نیست!
از اینکه نظرات‌تان را با ما در میان می‌گذارید متشکرم!
