PCB Tasarımında Yansıma Gürültüsü Nasıl Azaltılır?

Bu yazımızda PCB (Baskı Devre Kartı) tasarımı yaparken dikkat edilmesi gereken hususları, yansıma gürültüsünün ne olduğunu ve tasarım uygulamaları ile nasıl azaltılabileceğini anlatacağız.

A- A+

18.01.2019 tarihli yazı 12622 kez okunmuştur.

PCB (Printed Circuit Board - Baskı Devre Kartı), elektronik devre elemanlarını monte etmek için yüzeyinde iletken (içerisinde bakır) yollar ve adalar, yüzeyler arasında ise içi lehim kaplı delikler içeren değişik yalıtkan materyallerden yapılmış plakalardır.

PCB'lerimizde bir dijital entegre devreden diğerine sinyal gönderdiğimizde, bir sinyal hattının durumunu değiştiririz. Durumdaki bu değişme ve beraberindeki elektromanyetik alanlardaki değişimler, devre içinde hareket ettikçe bir dalga olarak tanımlanabilir. Dalgalar, enerjiyi bir yerden diğerine aktaran, iletkenlerin yayılma yolunu yönlendiren olaylardır. Yansıma gürültüsü, bir elektromanyetik dalga bir ortamdan diğerine bir sınırla karşılaştığında ortaya çıkar. Dalga sınırı geçtiğinde, enerjinin bir kısmı sinyal olarak iletilir ve bir kısmı yansıtılır. Elektrik mühendisleri için, bu sınırın oluştuğu ortam genellikle elektrik empedansı; yani sınır, empedansın değiştiği yerdir. Empedans, direnç ve endüktans elemanlarından oluşur. Dirençler bir devrenin enerjisini ısı olarak yayar. Bir devredeki geri kazanılabilir enerji ise iletkenleri, indükleyicileri ve kapasitörleri geçiren ve çevreleyen elektromanyetik alanlarda bulunur. Empedans bir devrede değiştiğinde, bir miktar yansıma meydana gelir. Yansıyan dalga bir sonraki sınıra geri dönecektir (empedansta değişimin olduğu yer) ve tekrar yansıtacaktır. İşlem, devre tarafından soğurulana veya çevreye yayılana kadar süresiz olarak devam edecektir.

Bu animasyon, dalgalar bir ortamdan diğerine geçtiğinde tüm enerjinin iletilmediğini ve enerjinin bir kısmının kaynağına geri yansıdığını göstermektedir.

Peki, Yansıma Gürültüsü Neden Bir Sorundur ve Nasıl Azaltılır?

Sinyal hatları için, sürücünüzde ve alıcınızda yansıma noktaları olacaktır. Mühendisin görevi, yansıyan sinyalin miktarını en aza indirgemek ve empedans eşleştirmesi yoluyla iletilen sinyalin miktarını maksimize etmektir. Bu mümkün değilse, ek enerjinin gürültülü bir sinyal biriktirmeden ve bastırmadan önce tüketilmesi gerekecektir. Yansıtılan darbenin enerjisi, bir sonraki darbe oluşturulmadan önce dağılmazsa, enerji birikir ve süperpozisyon adı verilen bir olguda toplanır. Neyse ki, sinyaller direnç elementlerinden geçerken zayıflar. Böylece basit bir seri direnç çoğu gürültüyü ortadan kaldıracaktır.

Dijital Sinyallerde Gürültüyü Değerlendirme

Fourier teoremi, herhangi bir dalga veya dalga darbesinin bir dizi sinüs veya kosinüs dalgalarına ayrılabileceğini öğretir. Yeterince küçük bir yükselme veya düşme süreniz varsa, tek bir darbe içinde düzinelerce küçük genlikli dalgaları tutabilir. Şimdi, orijinal dalganın azalan genlik tek harmoniklerinin art arda süperpozisyonu yoluyla oluşturulan bileşik dalga darbesini gösterdiği aşağıdaki resmi kontrol edin. Bazı sinyaller için, dalga şeklini bir dizi sinüs dalgasına ayırabiliriz.

►İlginizi Çekebilir: Entegre Devre(IC) Nedir?|ElektrikPort Akademi

Yukarıdaki rakamların gösterdiği gibi, gerçek bir dijital sinyal geniş bir bant genişliğine sahiptir ve bu enerjinin herhangi bir kısmı devrenizde rezonans yaratabilir. RF(Radyo Frekansı) sinyalleri, hesaplanması kolay rezonanslarla çok dar bir bant genişliğine sahiptir ve bu, RF sinyallerinin tam tersi şeklindedir. Daimi dalgalar oluşturmayı başarırsanız, civardaki herhangi bir sinyal hattını bastırabilecek çok büyük gürültü kaynakları oluşturacaksınız.

►İlginizi Çekebilir: Baskılı Devre KartıYapımı|ElektrikPort Akademi

Bu animasyon, belirli bir dalga boyunda yansıyan bir dalganın (turuncu), yüksek genlikli bir duran dalga (yeşil) oluşturmak için onun yansımasıyla (mavi) birleşebileceğini göstermektedir. Tasarımınızdaki yansıma gürültüsünü azaltmak için kullanabileceğiniz birkaç yöntem vardır. İşte yansıma gürültüsünü azaltmak için bazı tekniklere genel bir bakış.

1. Sabit Empedansın Korunması

Dikkate almanız gereken ilk şey, mümkün olduğunca PCB yolu için sabit empedansın nasıl korunacağıdır. Unutmayın: empedans değiştiğinde yansımalar olur. Sürekli empedansı korumak için PCB yollarının empedansını hesaplayabilmeniz gerekir. PCB programınız empedansı hesaplamanıza izin vermelidir ama bunun yanında mevcut çevrimiçi araçlarla da empedansı hesaplayabilirsiniz. Bakır yolların ve boşluk genişliklerinin ne olduğunu belirledikten sonra, rota boyunca bu genişlikleri koruyun. Yüksek hızlı sinyal hatları için, sabit empedansın korunması, bir baskı devre kartı tasarımı için çok önemlidir.

►İlginizi Çekebilir: PCB Bağlantı Teknolojileri ve Özellikleri

Bakır yollar arasındaki tutarlılık da sabit empedansın korunmasını dolayısıyla da yansıma gürültüsünün azaltılmasını sağlar. Farklı çift veya tek uçlu yollarda sabit empedansı korumak için sabit yol genişliği ve uzaklığını sağlayarak diğer tüm iletkenlerden sabit aralıkta tutmalısınız. Empedans kontrollü çiftlerinizin üzerinde rastgele bakır yollar oluşturarak geçerseniz, empedansı değiştirir ve bir yansıma noktası yaratırsınız. Empedansı değiştirmeniz gerektiğinde (örneğin, bir lineer amplifikatörden antene), empedans eşleştirme devresini kullanın (Smith Diyagramı, çevrimiçi araçlar vb. İle hesaplanır).

2. Back-drill ile Yansıma Noktalarının Azaltılması

Via’lar kartın katmanları arasında elektrik akımını taşıyan yollar arasında bağlantı alanı deliklerdir. Yabancı bir terim olan Via’nın dilimizdeki karşılı geçiş yoludur. Via’lar, yüksek hızlı devrelerin tasarımcıları için sorun olabilir. Via, sinyallerin iletilmesini sağlayan bakır yolları aşacak şekilde kullanılmayan katmanlara uzanırsa devrenin empedansı aniden değişir. Bir devre kartında, bakır yollar havayla teması olmayan geçiş yolundan (50-150 ohm) çıkıp katman yüzeyine girer. Bu esnada geçiş yolunun devamında “stub” denilen diğer katmanlara uzanan bir yol mevcuttur(377 ohm). Bu kısımdan dolayı havayla temas sağlanır ve bir empedans uyumsuzluğu oluşur. Bu durum, geçiş konumunda sinyali ciddi şekilde bozabilecek bir yansıma noktası oluşturur. Çözüm ise PCB tasarımı yaparken Via’ları kullanılmayan dış katmanlardan ayırmaktır. “Back-drill” olarak adlandırılan bu yöntemin uygulanması yansıma noktalarının azaltılması için çok önemlidir.

►İlginizi Çekebilir: Ücretsiz PCB Çizim Programları

3. Sönümleme Dirençlerinin Kullanılması

►İlginizi Çekebilir: Baskılı Devre Kartlarının Tasarımı 1| ElektrikPort Akademi

Diğer önemli teknik, hızlı yükselme / düşme süreleri ile tüm sürüş sinyal kaynaklarının yakınında seri olarak sönümleme dirençleri kullanmaktır. Oluşan herhangi bir sinyal yansıması, dirençten her geçişte hızlı bir şekilde azaltılacaktır. Bunlar tipik olarak sürüş sinyali kaynağına yakın yerleştirilmiş 100Ω’dan küçük dirençlerdir. Burada genel fikir sönümlü bir devre oluşturmaktır. Böylece sinyal aşırı aşma ve gürültü olmadan bir kez uygun lojik seviyesine yükselir. Bir entegre devreden(IC) diğerine bir sinyal taşırken, gürültüyü önlemek için sönümleme dirençleri kullanılması önerilir.

Kaynak:

► Allaboutcircuits