การป้องกันสัญญาณรบกวนเป็นปัจจัยสำคัญอย่างยิ่งในการออกแบบวงจรสมัยใหม่ ซึ่งสะท้อนประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของระบบทั้งหมดโดยตรง สำหรับวิศวกร PCB การออกแบบป้องกันสัญญาณรบกวนคือกุญแจสำคัญและจุดยากที่ทุกคนต้องเรียนรู้

การมีอยู่ของการรบกวนในบอร์ด PCB
จากการวิจัยจริง พบว่าการออกแบบ PCB มีสัญญาณรบกวนหลักอยู่ 4 ประการ ได้แก่ สัญญาณรบกวนจากแหล่งจ่ายไฟ สัญญาณรบกวนในสายส่ง การเชื่อมต่อ และสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI)

1. สัญญาณรบกวนจากแหล่งจ่ายไฟ
ในวงจรความถี่สูง สัญญาณรบกวนจากแหล่งจ่ายไฟมีอิทธิพลอย่างชัดเจนต่อสัญญาณความถี่สูง ดังนั้น ข้อกำหนดแรกของแหล่งจ่ายไฟคือสัญญาณรบกวนต่ำ ในกรณีนี้ สายดินที่สะอาดมีความสำคัญพอๆ กับแหล่งจ่ายไฟที่สะอาด

2. สายส่งไฟฟ้า
สายส่งในแผงวงจรพิมพ์ (PCB) มีเพียงสองประเภทเท่านั้น คือ สายสตริปไลน์และสายไมโครเวฟ ปัญหาใหญ่ที่สุดของสายส่งคือการสะท้อน การสะท้อนจะก่อให้เกิดปัญหามากมาย ตัวอย่างเช่น สัญญาณโหลดจะเป็นการซ้อนทับของสัญญาณต้นฉบับและสัญญาณสะท้อน ซึ่งจะเพิ่มความยากในการวิเคราะห์สัญญาณ การสะท้อนจะทำให้เกิดการสูญเสียสัญญาณย้อนกลับ (return loss) ซึ่งจะส่งผลกระทบต่อสัญญาณ ผลกระทบนี้ร้ายแรงพอๆ กับสัญญาณรบกวนแบบบวก

3. การเชื่อมต่อ
สัญญาณรบกวนที่เกิดจากแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนจะก่อให้เกิดสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าต่อระบบควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ผ่านช่องสัญญาณคัปปลิ้งเฉพาะ วิธีการรบกวนแบบคัปปลิ้งนั้นไม่มีอะไรมากไปกว่าการรบกวนระบบควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ผ่านสายไฟ ช่องว่าง สายร่วม ฯลฯ การวิเคราะห์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยประเภทต่างๆ ดังต่อไปนี้: คัปปลิ้งแบบตรง คัปปลิ้งแบบอิมพีแดนซ์ร่วม คัปปลิ้งแบบคาปาซิทีฟ คัปปลิ้งแบบเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า คัปปลิ้งแบบแผ่รังสี ฯลฯ

4. สัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI)
สัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) มีสองประเภท ได้แก่ สัญญาณรบกวนแบบนำไฟฟ้า (conducted interference) และสัญญาณรบกวนแบบแผ่รังสี (radiated interference) สัญญาณรบกวนแบบนำไฟฟ้า (conducted interference) หมายถึง การเชื่อมต่อ (การรบกวน) ของสัญญาณบนเครือข่ายไฟฟ้าหนึ่งเข้ากับเครือข่ายไฟฟ้าอื่นผ่านตัวกลางตัวนำ สัญญาณรบกวนแบบแผ่รังสี (radiated interference) หมายถึง การเชื่อมต่อ (การรบกวน) ของสัญญาณไปยังเครือข่ายไฟฟ้าอื่นผ่านช่องว่าง ในการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) และระบบความเร็วสูง สายสัญญาณความถี่สูง พินของวงจรรวม ขั้วต่อต่างๆ ฯลฯ อาจกลายเป็นแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนแบบแผ่รังสีที่มีคุณสมบัติของเสาอากาศ ซึ่งสามารถปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและส่งผลกระทบต่อระบบอื่นๆ หรือระบบย่อยอื่นๆ ในระบบได้

มาตรการป้องกันการรบกวนของ PCB และวงจร
การออกแบบป้องกันการติดขัดของแผงวงจรพิมพ์นั้นมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับวงจรเฉพาะ ต่อไปเราจะอธิบายมาตรการทั่วไปบางประการในการออกแบบป้องกันการติดขัดของแผงวงจรพิมพ์

1. การออกแบบสายไฟ
ลองเพิ่มความกว้างของสายไฟให้สอดคล้องกับขนาดของกระแสไฟฟ้าบนแผงวงจรพิมพ์เพื่อลดความต้านทานของวงจร ขณะเดียวกัน ให้ทิศทางของสายไฟและสายดินสอดคล้องกับทิศทางการส่งข้อมูล ซึ่งจะช่วยเพิ่มความสามารถในการป้องกันสัญญาณรบกวน

2. การออกแบบสายดิน
แยกกราวด์ดิจิทัลออกจากกราวด์อะนาล็อก หากมีทั้งวงจรลอจิกและวงจรเชิงเส้นบนแผงวงจร ควรแยกออกจากกันให้มากที่สุด กราวด์ของวงจรความถี่ต่ำควรต่อกราวด์แบบขนานที่จุดเดียวให้มากที่สุด เมื่อการเดินสายจริงยาก สามารถต่อแบบอนุกรมบางส่วนแล้วต่อกราวด์แบบขนานได้ วงจรความถี่สูงควรต่อกราวด์แบบอนุกรมหลายจุด สายกราวด์ควรสั้นและหนา และควรใช้แผ่นกราวด์แบบกริดรอบส่วนประกอบความถี่สูง

สายดินควรมีความหนามากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ หากใช้สายดินที่บางมาก ศักย์ไฟฟ้าของสายดินจะเปลี่ยนแปลงไปตามกระแสไฟฟ้า ซึ่งจะช่วยลดความต้านทานสัญญาณรบกวน ดังนั้น ควรเพิ่มความหนาของสายดินเพื่อให้สามารถผ่านกระแสไฟฟ้าที่อนุญาตบนแผงวงจรพิมพ์ได้สามเท่า หากเป็นไปได้ ควรเพิ่มความหนาของสายดินให้มากกว่า 2-3 มม.

สายดินจะทำหน้าที่เป็นวงปิด สำหรับแผงวงจรพิมพ์ที่ประกอบด้วยวงจรดิจิทัลเท่านั้น วงจรกราวด์ส่วนใหญ่จะถูกจัดเรียงเป็นวงเพื่อเพิ่มความต้านทานสัญญาณรบกวน

3. การกำหนดค่าตัวเก็บประจุแบบแยกส่วน
วิธีทั่วไปวิธีหนึ่งในการออกแบบ PCB คือการกำหนดค่าตัวเก็บประจุแบบแยกส่วนที่เหมาะสมบนแต่ละส่วนสำคัญของบอร์ดที่พิมพ์

หลักการกำหนดค่าทั่วไปของตัวเก็บประจุแบบแยกส่วนมีดังนี้:

① ต่อตัวเก็บประจุไฟฟ้าขนาด 10-100 ยูเอฟ เข้ากับแหล่งจ่ายไฟ หากเป็นไปได้ ควรต่อตัวเก็บประจุขนาด 100 ยูเอฟ หรือมากกว่า

②โดยหลักการแล้ว ชิปวงจรรวมแต่ละตัวควรติดตั้งตัวเก็บประจุเซรามิก 0.01pF หากช่องว่างระหว่างบอร์ดพิมพ์ไม่เพียงพอ สามารถติดตั้งตัวเก็บประจุ 1-10pF ต่อชิป 4-8 ตัวได้

③สำหรับอุปกรณ์ที่มีความสามารถในการป้องกันสัญญาณรบกวนที่อ่อนแอและการเปลี่ยนแปลงพลังงานขนาดใหญ่เมื่อปิดเครื่อง เช่น อุปกรณ์จัดเก็บข้อมูล RAM และ ROM ควรเชื่อมต่อตัวเก็บประจุแบบแยกสัญญาณโดยตรงระหว่างสายไฟและสายดินของชิป

④สายนำตัวเก็บประจุไม่ควรยาวเกินไป โดยเฉพาะตัวเก็บประจุบายพาสความถี่สูงไม่ควรมีสายนำ

4. วิธีการกำจัดสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าในการออกแบบ PCB

① ลดลูป: ลูปแต่ละลูปเทียบเท่ากับเสาอากาศ ดังนั้นเราจึงต้องลดจำนวนลูป พื้นที่ของลูป และผลกระทบของเสาอากาศจากลูปให้เหลือน้อยที่สุด ตรวจสอบให้แน่ใจว่าสัญญาณมีเส้นทางลูปเพียงเส้นทางเดียวในสองจุด หลีกเลี่ยงการใช้ลูปเทียม และพยายามใช้เลเยอร์พลังงาน

②การกรอง: การกรองสามารถใช้เพื่อลด EMI ได้ทั้งบนสายไฟและบนสายสัญญาณ มีสามวิธี ได้แก่ ตัวเก็บประจุแบบแยกส่วน ตัวกรอง EMI และส่วนประกอบแม่เหล็ก

③โล่

④ พยายามลดความเร็วของอุปกรณ์ความถี่สูง

⑤ การเพิ่มค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของบอร์ด PCB สามารถป้องกันไม่ให้ชิ้นส่วนความถี่สูง เช่น สายส่งที่อยู่ใกล้กับบอร์ดแผ่รังสีออกไปด้านนอก การเพิ่มความหนาของบอร์ด PCB และลดความหนาของสายไมโครสตริปให้เหลือน้อยที่สุด สามารถป้องกันไม่ให้สายแม่เหล็กไฟฟ้าล้นออกมาได้ และยังป้องกันการแผ่รังสีได้อีกด้วย