Lecture 9

1

System Design สิ่งที่ควรค านึงถงึในการออกแบบระบบ

1. Dynamic range and Precision ช่วงของสญัญาณ และ ความละเอียด ของ input และ output ที่เก่ียวข้องในระบบจะเป็นตวัก าหนดการออกแบบระบบทัง้หมด เช่น ขนาดและช่วงการใช้งานของอปุกรณ์ตา่งๆ ความแมน่ย าในการวดั และ ระดบัสญัญาณรบกวนท่ียอมรับได้ ตวัอยา่งเช่น

เมื่อต้องการวดัอณุหภมูิระหวา่ง 0 ถึง 100 ̊C อยา่งมคีวามแมน่ย าต้องใช้คา่อยา่งน้อย 100 ระดบัถึงจะท าการวดัได้ 8-bit analogue-to-digital converter (ADC)สามารถแบง่ input voltage ได้ 256 ระดบัจงึสามารถท างานนีไ้ด้ แตถ้่าต้องการความละเอียด 0.1 ˚C แล้ว ต้องมกีารแบง่ input เป็น 100/0.1 = 1000 ระดบั เพราะฉะนัน้ ต้องใช้ 10-bit ADC ซึง่สามารถแบง่คา่ input ออกได้เป็น 1024 ระดบั

2. Calibration ถึงแม้ผู้ผลติจะบอกคณุสมบตัิของ Sensor แตล่ะตวัมา แตใ่นความเป็นจริงแล้ว อปุกรณ์แตล่ะตวัมคีวามแตกต่างกนั ในการใช้งาน sensor เพื่อให้คา่ที่วดัได้ตรงกบัความเป็นจริงต้องมีการเทียบคา่ที่วดัได้กบัคา่มาตรฐานเสมอ การเทียบนีค้วรจะท าอยา่งสม ่าเสมอเนื่องจากสภาพของอปุกรณ์ที่เปลีย่นไปตามอายกุารใช้งานและสภาพแวดล้อมหรือเมื่อมกีารเปลีย่นแปลงสว่นประกอบของระบบ ข้อมลูของการเทียบมาตรฐานควรถกูเก็บไว้เพื่อเป็นประโยชน์ในการบ ารุงรักษา

3. Bandwidth ความจขุองสือ่รับสง่สญัญาณมีผลตอ่ความเร็วในการท างานของระบบ ตวัอยา่งเช่นมาตรฐาน RS 232 ทัว่ไปสามารถรับ สง่ ข้อมลูได้เพียง 20 kbits/sec

4. Cost ราคาเป็นสว่นส าคญัที่ต้องค านงึถึงในการออกแบบ การออกแบบอปุกรณ์แตล่ะอยา่งควรค านงึถงึจุดประสงค์ในการใช้งาน เช่น ในบางครัง้ไมม่ีความจ าเป็นท่ีจะต้องใช้ CPU ที่ท างานได้เร็วและมีราคาแพงในงานท่ีไมต้่องการการประมวลผลด้วยความเร็วสงู ราคาในท่ีนีอ้าจรวมถึงต้นทนุทัง้หมดในการน าผลติภณัฑ์ออกสูต่ลาดและผู้ใช้งาน เช่น ต้นทนุในการท าวงจร, ต้นทนุในการท าและออกแบบ package, การทดสอบอปุกรณ์ให้ได้มาตรฐาน, การขนสง่, โฆษณา, และการจดัจ าหนา่ย

5. Peripheral Hardware o Sampling Rate and Aliasing การเลอืกอปุกรณ์ต้องค านงึถงึอตัราการสุม่ข้อมลูเข้าสูร่ะบบ ถ้าอตัราการสุม่ข้อมลูไมเ่หมาะสมกบัอตัราการเปลีย่นแปลงของสญัญาณที่ต้องการวดัจะท าให้ข้อมลูที่วดัได้ผิดเพีย้นจากความเป็นจริง ดงัรูป

Lecture 9

2

o Processor throughput ปริมาณงานท่ี CPU ท าได้ขึน้อยูก่บัปัจจยัหลายอยา่งเช่น Interrupts

การเกิด Interrupt มีบอ่ยหรือไม ่แตล่ะครัง้ใช้เวลานานเทา่ใด Interfaces

มาตรฐานในการ Interface ซึง่เป็นสว่นท่ีจ ากดัความเร็วและความสามารถในการรับสง่ข้อมลูก็มีผลตอ่ปริมาณงานท่ี CPU ท าได้

Hardware Support และ Processing requirements ชนิดของ CPU, ROM, RAM และ ความต้องการสว่น Hardware อื่นๆในระบบ มีผลกบัปริมาณงานท่ี CPU ท าได้เนื่องจาก งานบางชนดิสามารถท าโดย Software ได้ แตก่ารใช้ software จะเสยีเวลาไปกบัการประมวลผล ท าให้ CPU ท างานอื่นๆได้น้อยลง การใช้ Hardware จะเร็วกวา่แต่ยิ่งมีสว่น Hardware มาก ต้นทนุของระบบก็จะยิ่งสงูขึน้เพราะไม ่เช่น 7-segment encoder

Language/Compiler ภาษาและคอมไพเลอร์ที่ใช้จะมีผลกบัขนาดของโปรแกรม

6. Electromagnetic Compatibility (EMC) EMC คือ ความสามารถของระบบไฟฟ้าที่ท างานได้ถกูต้องภายใต้สภาพแวดล้อมที่เต็มไปด้วยการสอดแทรกทางแมเ่หลก็ไฟฟ้า และ ไมเ่ป็นแหลง่ก าเนดิสญัญาณรบกวนตอ่สภาพแวดล้อม EMC regulations ก าหนดปริมาณของพลงังานท่ีเคร่ืองใช้ไฟฟ้าจะแผอ่อกมาเพื่อป้องกนัไมใ่ห้ไปรบกวนการท างานของอปุกรณ์ตวัอื่นๆ โดยทัว่ไปแล้วอปุกรณ์ที่ใช้ความถ่ีสงูจะมกีารแผพ่ลงังานออกมาก ปัจจบุนั มาตรฐาน EMC ถกูก าหนดขึน้เพื่อใช้กบัอปุกรณ์ที่มีความถ่ีสงูตัง้แต ่30 MHz ขึน้ไป

Lecture 9

3

Noise Noise คือสญัญาณใดๆที่ไมต้่องการ ความหนาแนน่ของสเปคตรัมก าลงั (Power Spectrum Density, PSD) ของสญัญาณรบกวนในแตล่ะช่วงความถ่ี (Bandwidth) จะมีคา่ไมเ่ทา่กนั แตส่ญัญาณรบกวนท่ีมีคา่ PSD คงทีใ่นทกุความถ่ีจะเรียกวา่ White Noise สญัญาณเหลา่นีไ้มส่ามารถถกูก าจดัให้หมดสิน้ไปได้แตส่ามารถลดทอนลงได้

1. Spikes or Transient Noise สญัญาณรบกวนท่ีเกิดไมส่ม า่เสมอ เช่น กระแสกระชาก การเปิดปิดหน้าสมัผสัในสวิตช์ ฟ้าผา่

2. Steady or Frequency Noise สญัญาณรบกวนท่ีเกิดสม า่เสมอ เช่น ไฟบ้าน คลืน่วิทย ุสญัญาณรบกวนท่ีมีความหนาแนน่สเปคตรัมคงทีใ่นทกุชว่งความถ่ีเรียกวา่ White Noise

Signal-to-Noise Ratio อตัราสว่นระหวา่งสญัญาณรบกวนกบัสญัญาณทีต้่องการ ปกตจิะบอกมาในหนว่ย decibel (dB) Sources of Noise

1. Internal sources อาจเกิดจากตวัอปุกรณ์เองเนื่องจากปรากฎการณ์สุม่ (Random) ในอปุกรณ์ไฟฟ้าและการเสือ่มสภาพ แบง่เป็น

o Thermal Noise เกิดจากการเคลือ่นท่ีแบบสุม่ของอิเลก็ตรอน เมื่อมีอณุหภมูิสงูขึน้ เนื่องจากได้รับพลงังานความร้อน เพราะฉะนัน้สญัญาณรบกวนนีจ้ะเกิดขึน้ในอปุกรณ์ที่มกีารสญูเสยีพลงังานในรูปความร้อน เป็น white noise และเป็นสญัญาณรบกวนเบือ้งต้นในทกุวงจร

o Shot Noise เกิดจากการเคลือ่นที่แบบสุม่ของพาหะไฟฟ้าข้ามรอยตอ่ p-n เมื่อมีกระแสไฟตรงไหลในไดโอดและทรานซิสเตอร์ เป็น white noise เช่นกนั

o Flicker Noise เกิดจากการตดิกบั (trap) ของพาหะน าไฟฟ้า จากความไมบ่ริสทุธ์ิ (contamination) และความไมส่มบรูณ์ (defect) ในสารกึ่งตวัน า เป็นแหลง่ก าเนิดสญัญาณรบกวนท่ีมีก าลงังานมาก ความถ่ีต า่ คา่ PSD แปรผกผนักบัความถ่ี บางทีเรียกวา่ Pink Noise

o Contact Noise เกิดจากการเปลีย่นแปลง impedance ระหวา่งหน้าสมัผสัที่ตอ่กนัแบบไมค่อ่ยดีในอปุกรณ์ เช่น switch, relay

o Popcorn Noise หรือ Burst Noise เกิดจากความไมส่มบรูณ์ของรอยตอ่โลหะหรือ semiconductor ซึง่เป็นผลจากขบวนการผลติที่ไมไ่ด้คณุภาพ Noise ชนิดนี ้เมื่อน าไปใสเ่คร่ืองขยายเสยีงจะเป็นเสยีงคล้ายๆ การ pop ของ popcorn และไมไ่ด้เกิดขึน้อยา่งสม ่าเสมอ

2. External sources o Conductive coupled noise เข้าสูว่งจรจากการเช่ือมตอ่โดยตรงระหวา่งวงจรหรือ จาก External

equipments โดยการตอ่วงจรที่หรืออปุกรณ์ที่ก าเนดิ noise สงูเข้ากบัวงจรจาก Transmission lines บางกรณีเกิดจากแหลง่ก าเนดิไฟฟ้าหรืออปุกรณ์อื่นๆแล้วเข้ามากบัสายไฟ เมื่อสายไฟวิง่ผา่นสภาพแวดล้อมที่มีสญัญาณรบกวน

1020logSignal

Noise

ASNR

A

Lecture 9

4

o Capacitive coupled noise อะไรก็ตามทีเ่ป็นตวัน าไฟฟ้าอยูใ่กล้กนัคัน่ด้วยสารกึ่งตวัน าจะเป็นเหมอืน C เกิดจากอปุกรณ์ที่อยูใ่กล้ๆ และจากสายสง่สญัญาณ

o Magnetically coupled noise เช่น Cross talk เนื่องจากเมื่อมีกระแสผา่นขดลวดจะท าให้เกิด

สนามแมเ่หลก็ และสนามแมส่ามารถเหน่ียวน าให้เกิดกระแสไหลในขดลวดอื่นๆได้ เกิดจากสายทีอ่ยูใ่กล้ๆกนั ขึน้อยูก่บั

ระยะทางระหวา่งสาย ความแรงของสญัญาณในสาย ความถ่ีของสญัญาณในสาย

หรือเกิดจากอปุกรณ์ที่อยูใ่กล้ๆ โดยเฉพาะอปุกรณ์ที่เก่ียวกบัไฟแรงสงู หรืออปุกรณ์ที่ใช้หลกัการของแมเ่หลก็ไฟฟ้า

Lecture 9

5

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

Shielding Michael Faraday สงัเกตเห็นวา่ประจจุะอยูบ่นผิวด้านนอกของตวัน าเทา่นัน้และไมม่ีผลอะไรกบัสิง่ที่อยูภ่ายใน

Faraday shields ป้องกนัอปุกรณ์จาก electromagnetic noise โดย coupling noise สูต่วั shield แทนที่จะเข้าสูอ่ปุกรณ์และท าตวัเป็น ground ส าหรับกระแสที่เกิดจากการเหนีย่วน าโดย electromagnetic noise Faraday shields ควรท าจากสารแมเ่หลก็และตอ่กบัไฟลบเพื่อให้ผลกัประจลุบและดงึประจบุวก การ shield ที่ดีควรหุ้มสายไฟทัง้เส้นด้วย shield และตอ่ shield ลงกราวน์แตใ่นทางปฏิบตัิสายไฟจะยื่นออกมานอก shield

Lecture 9

6

Grounding การ Ground ที่เหมาะสมเป็นวิธีที่ดีและประหยดัที่สดุการลด Noise ในทางทฤษฎี Ground หมายถึงจดุหรือระนาบท่ีมีศกัดาไฟฟ้าเทา่กนัและท าหน้าที่เป็นศกัดาไฟฟ้าอ้างอิงของวงจรและระบบ ในทางปฏิบตัิ Ground เป็นจดุร่วม (common) และเป็นทางกลบัซึง่ม ีImpedance ต า่ ของสญัญาณ (return path) ไปยงัแหลง่จ่าย ดงันัน้ Ground ไมไ่ด้เป็น 0 V และ 0 Ω หรือมีศกัดาไฟฟ้าเทา่กนัทกุจดุอยา่งแท้จริง ในบางกรณีจึงมีการเกิด กระแสไหลในสาย คือม ีGround Loop เกิดขึน้ (ลกัษณะเป็นเส้นหรือแนวและมีการมาบรรจบกนัท่ีใดที่หนึง่เกิดเป็นวง หรือ Loop) เส้นทางการวิง่กลบัและพืน้ท่ี Loop จะมีผลตอ่ Magnetically coupled noise ดงัรูป

Lecture 9

7

วิธีการแก้ไข ground loop ระหวา่งสองวงจรอาจท าได้โดย แยกวงจรทัง้สองโดยใช้ a) หม้อแปลง b) โช๊กร่วม (common-mode choke) c) การเช่ือมโยงแบบแสง (optical coupler) d) วงจรสมมาตร e) กราวด์ผสม

Ground เป็นจดุที่ Noise จะเข้ามาสูร่ะบบ ถ้าไมม่ี Ground จะไมค่อ่ยมีสญัญาณรบกวนแตอ่นัตราย ดงัรูป

การ Ground มี 2 ประเภทคือ 1. การ Ground เพื่อความปลอดภยั (Safety Ground) ซึง่ตอ่กบัศกัดาไฟฟ้าของโลกเรียกวา่ Earth ground หรือใน

บางครัง้มีการตอ่ผา่นตวัถงัหรือ Case เรียกวา่ Chassis Ground กรณีที่เป็นการตอ่ ground (ซึง่สว่นใหญ่คือ Earth ground) กบั Faraday Shield อาจเรียกวา่ Shield ground

Lecture 9

8

2. การ Ground สญัญาณ (Signal ground หรือ Common) เป็นจดุของสญัญาณที่มศีกัย์ไฟฟ้าเทา่กนั

a. Earth ground

b. Chassis Ground

c. Common รูปแสดงสญัญลกัษณ์ของ Ground แบบตา่งๆ

การ Ground แบง่เป็น

Single-point ground

การตอ่ Ground แบบอนกุรมตอ่ได้ง่ายแตม่ีแนวโน้มที่จะมีการเช่ือมโยง noise แบบอิมพีแดนซ์ร่วม (common-impedance coupling) เนื่องจากสายไฟมี impedance

การตอ่ Ground แบบขนานท างานได้ดีที่ความถ่ีต ่าแต ่มีการเดินสายไฟที่ยุง่ยาก การตอ่ Ground แบบ single-point ไมเ่หมาะสมส าหรับวงจรความถ่ีสงูเนื่องจาก อินดกัแตนซ์ในตวัน ากราวด์จะมีคา่มากที่ความถ่ีสงู อิมพแีดนซ์ของกราวด์และ ตวัน ากราวด์จะกลายเป็นสายอากาศแผ ่noise

Lecture 9

9

Multi-point ground การใช้กราวด์หลายจดุท าให้เกิดอิมพีแดนซ์ต ่าโดยใช้ตวัน ากราวด์ขนานกนัจ านวนมากเป็นตาราง (grid) หรือระนาบ (plane) ที่มีขนาดใหญ่ท าให้ impedance ระหวา่ง Ground ต ่าและเช่ือมตอ่ไปยงัวงจรยอ่ยอกีที ข้อเสยีคือ อาจเกิดกราวด์ลปู ท าให้เกิดการรับ noise โดยการเช่ือมโยงสนามแมเ่หลก็ วิธีการแก้ไขที่ดีที่สดุคือพยายามท าให้ ground ทกุจดุม ีimpedance เทา่กนั

Multi-point ground เหมาะสมส าหรับวงจรความถ่ีสงูและวงจรดจิิตอล เพราะมีอิมพีแดนซ์ระหวา่ง Ground ต ่า แตก่ารตอ่แบบนี ้ไมเ่หมาะสมส าหรับวงจรความถ่ีต ่าเนื่องจากมีเส้นทางวิง่กลบัของกราวด์ร่วมกนั นอกจากนัน้ การเคลอืบผิวกราวด์ด้วยเงิน(silver) ท าให้อมิพีแดนซ์ลดลง และความยาวของตวัน าที่เช่ือมระหวา่ง Ground กบัตวัอปุกรณ์ควรสัน้ท่ีสดุเพื่อลดอินดกัแตนซ์

Hybrid ground Hybrid ground เป็นกราวด์ที่มีคณุสมบตัิตา่งกนัทีความถ่ีตา่งกนัดงัรูป

Lecture 9

10

การตอ่ Ground ดงัรูปท าให้วงจรมี Ground จดุเดยีวที่ความถ่ีต า่ และ Ground หลายจดุที่ความถ่ีสงู

การตอ่ Ground ดงัรูปท าให้วงจรมี Ground จดุเดยีวที่ความถ่ีสงูและ Ground หลายจดุที่ความถ่ีต า่ Note: TTL ICs สร้างโดยวิธีเดียวกบั BJT ดงันัน้จงึใช้ Vcc / Vee แต ่CMOS ICs สร้างโดยวิธีเดียวกบั FET จึงใช้ Vdd / Vss ดงัแสดงในตาราง

Vcc Vdd V+ Vs+ Positive supply Voltage

Vee Vss V- Vs- Negative Supply Voltage

ปัญหาในระบบ Ground สว่นใหญ่เกิดมากจากการเช่ือมโยงอมิพแิดนซ์ร่วม (common-impedance coupling) เนื่องจากโดยปกติคา่อินดกัแตนซ์ในตวัน าที่เป็น Ground มาก Ground จึงมีอิมพิแดนซ์สงู และ มีกระแส Ground มากเนื่องจากการ

Lecture 9

11

เช่ือมโยงสนามแมเ่หลก็ การใช้ Ground จดุเดียวท าให้เกิดการแยกกระแส Ground ให้ไหลในตวัน าตา่งกนัแตก่ารท าเช่นนี ้มีประสทิธิภาพต ่าที่ความถ่ีสงูเนื่องจาก L และ C แอบแฝง วงจรดจิิตอลเป็นวงจรความถ่ีสงู จึงควรใช้กราวด์หลายจดุส าหรับสญัญาณ และกราวด์จดุเดยีวส าหรับแรงดนัไฟเลีย้ง สายสัญญาณแบบต่างๆ

1. Twisted-pair ท าให้เกิดการหกัล้างกนัของสนามแมเ่หลก็ระหวา่งแตล่ะสาย เหมาะกบัความถ่ีสงูถงึประมาณ 10 KHz ประสทิธิภาพการลด Noise ขึน้อยูก่บัจ านวนรอบของการพนัเกลยีว

2. Coaxial cable เหมาะกบัความถ่ีสงูถึงประมาณ 100 MHz

3. สายแพ (Ribbon Cable) ท าไห้ตอ่สายไฟหลายเส้นได้งา่ย

Lecture 9

12

เปรียบเทียบการ shield และ การ ground แบบต่างๆ จากรูป การลดทอน (Attenuation) ยิ่งน้อยยิง่ด ี Noise Reduction in PCB design

1. ปัจจบุนัวงจรไฟฟ้ามีขนาดเลก็ลง (ขนาดของสญัญาณก็เลก็ลงด้วย) และความถ่ีของสญัญาณมีขนาดสงูขึน้ ท าให้ถกูรบกวนได้งา่ยแยกวงจรทีเ่ป็น analogue, digital และ power supply โดยวงจรประเภทเดยีวกนัควรอยูด้่วยกนับน PCB วงจรทีเ่ป็น low voltage analogue จะเป็นวงจรที่ถกูรบกวนได้ง่ายที่สดุและ high speed digital จะเป็นวงจรที่ให้ก าเนิด noise หรือวงจรที่มีสญัญาณขนาดเลก็ควรช์กราวด์ร่วมกนั วงจรที่มีสญัญาณขนาดใหญ่ควรใช้กราวด์แยกกนั การเช่ือมตอ่วงจรที่ตา่งกนัเข้าด้วยกนัอาจท าโดยใช้ buffer หรือ isolator

Lecture 9

13

การจดัส่วนวงจรบนแผน่ PCB

Lecture 9

14

นอกจากอปุกรณ์ทางกล เช่น motor, relay ที่จะเป็นแหลง่ก าเนิด Noise แล้ววงจรดจิิตอลซึง่ท างานด้วยความเร็วสงูก็เป็นแหลง่ก าเนิด Noise เช่นกนั ดงัรูป โดยทัว่ไปแล้ว วงจร Low Voltage Analogue เป็นวงจรที่ได้รับผลกระทบจากสญัญาณรบกวนมากที่สดุ เนื่องจาก ขนาดของ Noise มีขนาดใหญ่เมื่อเทยีบกบัขนาดสญัญาณ และท าให้ S/N มีคา่ต ่าไปด้วย

2. พยายามให้มีการหกัมมุและ ground loops น้อยที่สดุบน PCB 3. มี Ground planes เพื่อลด noise

จากรูปเป็น PCB แบบหน้าเดยีวลายทองแดงด้านซ้ายเป็นไฟ+ ด้านขวาเป็นไฟ- จะเกิดสนามไฟฟ้าขึน้ท่ีด้านบนและด้านลา่ง PCB หลงัจากเท Ground Plane แล้วสนามไฟฟ้าด้านลา่งจะหายไป เนื่องจาก Ground Plane จะเป็นตวั Shield ไว้

Lecture 9

15

4. Ground plane ควรมคีวามตอ่เนือ่งกนัตลอด ถ้ามีสว่นไหนที่ไมต่อ่เนื่องอาจท าให้เกิดเป็นลกัษณะของวงรอบ (Loop) ขึน้มาได้

5. ขนาดของเส้นขึน้อยูก่บัปริมาณกระแสที่ไหลผา่นและความหนาของชัน้ตวัน าบนแผน่ PCB โดยทัว่ไปแล้ว ขนาดใหญ่

จะสามารถทนกระแสได้สงูกวา่ และมีความต้านทานต ่ากวา่ มีคา่ความเหน่ียวน าไฟฟ้าต ่า และสร้างได้งา่ยกวา่ โดยปกติช่องวา่งระหวา่งจะมขีนาดเทา่กบัเส้น ขนาดของเส้นควรมขีนาด 0.5-1 mm. ส าหรับการท าแผน่ PCB ด้วยตวัเอง แตถ้่าหากเป็นการออกแบบที่ถกูต้องแล้วต้องค านวนขนาดของเส้นและช่องวา่งระหวา่งเส้นตามทฤษฎีและมาตรฐาน ดงัแสดงในตาราง

6. เส้นควรมีขนาดสม า่เสมอตลอดทัง้เส้น

7. เส้นควรมกีารหกัมมุ 45˚ เทา่นัน้ ไมค่วรมีการหกัมมุ 90 ˚ และไมค่วรเกินกว้างเกิน 90 ˚ การหกัมมุไมไ่ด้มีผลอะไรกบัการเกิดสญัญาณรบกวน เพยีงแตท่ าให้วงจรดเูรียบร้อยและง่ายตอ่การสร้าง

8. ควรวางเส้นให้ผา่นกลางจดุลงขาอปุกรณ์เสมอ 9. เส้นท่ีเป็นไฟเลีย้งควรมีขนาดใหญ่เทา่ที่จะเป็นไปได้ 10. ถ้าเส้นมีขนาดเลก็ ควรมีการเพิ่มลายตวัน าบริเวณรอยตอ่ตวั T ดงัรูปเพื่อเป็นการหลกีเลีย่งการ

มมุ 90 ˚ ท าให้ขณะกดัแผน่น า้ยาจะไมเ่ซาะลายตวัน าตรงมมุออกมากเกินไปและท าให้ดดูี 11. จดุลงขาอปุกรณ์ควรมีเส้นผา่ศนูย์กลางขนาดใหญ่กวา่รูส าหรับลงขาอปุกรณ์อยา่งน้อย 1.8 เทา่

หรืออยา่งน้อยใหญ่กวา่ 0.5mm. ทัง้นีเ้พื่อเผื่อไมใ่ห้ความผิดพลาดในการเจาะรูท าให้ลายวงจรโดนสวา่นหายไป 12. จดุลงขาอปุกรณ์อยา่ง resistors, capacitors และ diodes ควรเป็นวงกลมมีขนาดเส้นผา่ศนูย์กลางประมาณ 2mm.

สว่นอปุกรณ์ที่มีขาเป็นแถวเช่น IC ควรใช้รูปวงรี กว้าง 1.5mm. ยาว 2.5mm. โดยที่ขาแรกเป็นรูปสีเ่หลีย่มผืนผ้า.

Lecture 9

16

13. รูส าหรับลงขาอปุกรณ์ไมค่วรมีหลายขนาด การท ารูหลายขนาดท าให้ผู้ผลติต้องเปลีย่นหวัสวา่นในการเจาะรูหลายครัง้

14. ถ้าเป็นไปได้ควรเพิ่ม “teardrops” จดุลงขาอปุกรณ์ หรือจดุเช่ือมระหวา่ง layers ดงัรูปเพื่อหลกีเลีย่งการ เกิดมมุ

15. ควรเช่ือม logic ground เข้ากบัโครงของอปุกรณ์เสมอ โดยเฉพาะบริเวณที่เป็นจดุตอ่ input/output 16. เพิ่มการเช่ือม logic ground เข้ากบัโครงของอปุกรณ์บริเวณทีเ่ป็น clock/oscillator 17. วงจรแตล่ะประเภทควรมี ground ของตนเอง โดยเฉพาะวงจรทีเ่ป็นแหลง่ก าเนิด noise ไมค่วรใช้ ground ร่วมกบั

วงจรที่ไวตอ่ noise จดุเช่ือมตอ่ grounds ของวงจรเหลา่นี ้เข้ากบั ground แหลง่จา่ย ควรจะมจีดุเดียวและมีการ filter เพื่อลด noise จากแหลง่จ่าย

18. วางวงจรที่แผค่ลืน่แมเ่หลก็ไฟฟ้ามากที่สดุ เช่น วงจรความถ่ีสงู ไว้ภายในและล้อมรอบด้วยวงจรที่แผค่ลืน่แมเ่หลก็ได้รองลงมาตามล าดบัดงัรูป

Lecture 9

17

19. วางเส้นทางไปและกลบัของสญัญาณไว้ใกล้ๆกนัเพื่อให้เกิดการหกัล้างของสนามแมเ่หลก็ ดงัรูป

20. ระยะระหวา่งอปุกรณ์กบั Ground ควรมีขนาดสัน้ท่ีสดุเทา่ที่จะเป็นไปได้เพราะฉะนัน้ถ้าท าได้ควรคลมุที่วา่งใน PCB ด้วย Ground

21. วางเส้นไฟเลีย้งกบั ground ให้ใกล้กนัมากที่สดุ การท าเช่นนีจ้ะท าให้พืน้ท่ีในวงรอบทีก่ระแสวิ่งน้อยลง และท าให้อตัราการเกิดสญัญาณรบกวนน้อยลง

22. ไมค่วรวางเส้นไฟเลีย้งหรือ ground ผา่เข้าไปยงับริเวณทีม่ีตวัอปุกรณ์เยอะๆ 23. ถ้าเป็นวงจรที่มีสญัญาณความถ่ีสงูกวา่ 25 Hz ควรมี ชัน้ ground 2 อนัขึน้ไป 24. ใช้ capacitor decoupling จะช่วยป้องกนั voltage spike ท าให้ supply voltage ของ IC คงที ่

Capacitor ตวันีค้วรเป็น disk ceramic หรือ multilayer ceramic โดยคา่ C จะมีคา่เทา่กบั

Lecture 9

18

dV

dIdtC

เมื่อ dV เป็น transient voltage ที่เกิดขึน้ใน power supply เนื่องจาก transient current dI ในช่วงเวลา dt เช่น ถ้าตวั IC ต้องการ transient current 50 mA เป็นเวลา 2ns ถ้าต้องการควบคมุให้ transient voltage มีคา่ไมเ่กิน 0.1 V decoupling capacitor ควรจะมคีา่อยา่งน้อย 0.001 uF ถ้าในวงจรมี IC เกิน 20 ตวัก็ควรจะม ิ Decoupling capacitor ขนาดเทา่กบัสบิเทา่ของ Decoupling capacitor ทกุตวัรวมกนัตอ่ณจดุที่ไฟเลีย้งเข้าสูว่งจร 25. ใช้ 1 หรือ 3 dimensions Faraday shields เช่น ใสก่ลอ่งโลหะเพือ่ป้องกนัการเช่ือมโยง noise แบบสนามไฟฟ้า 26. ควรตอ่ชิลด์เข้ากบัขารวม (common) ของวงจร และตอ่ heat sinks กบั ground 27. สว่นของ Oscillator ที่ป้อน clock ให้วงจรท างาน ในการออกแบบนัน้ควรพยายามใช้ความถ่ีที่ต า่ที่สดุที่วงจรสามารถ

ท างานได้ การใช้ความถ่ีที่ต า่ลง ช่วยลดคา่ XL, XC ในลายทองแดง ช่วยลดความร้อนและพลงังานใน Core Microcontroller ส าหรับการออกแบบ PCB ที่ดี จะต้องม ีGround Plane รอบๆ XTAL หรือจะบดักรีตวัถงั XTAL ลง Ground Plane ด้วย และจะต้องเดินลายทองแดงจาก Microcontroller ไปยงั XTAL ให้สัน้ท่ีสดุ ส าหรับตวัอยา่งการวางอปุกรณ์ บน 2 sided PCB จาก Application Note ของ ATMEL

28. การเว้นระยะหา่งระหวา่งลายวงจรกบัจดุยดึน๊อตควรมีคา่มากกวา่ 0.75 mm

Lecture 9

19

29. ควมยาวขาอปุกรณ์ควรเทา่กนัทัง้สองด้าน 29. การหกัมมุขาอปุกรณ์ควรเป็นไปดงัรูป

30. การใสต่วัอปุกรณ์ไมค่วรเอียงเกินกวา่ที่แนะน าดงัแสดงในรูป

Lecture 9

20

31. รอยตอ่ระหวา่งตวัอปุกรณ์กบัขาของมนัควรสงูกวา่แผน่ PCB ประมาณ 0.25 mm. ขึน้ไปดงัรูป

การติดตัง้อุปกรณ์ป้องกนัฟ้าผ่า บนแผน่ PCB อปุกรณ์ป้องกนัจะติดตัง้ใกล้ๆกบั connector ที่เช่ือมตอ่กบัสายไฟจากข้างนอก เช่น การใช้ GDT (Gas discharge tube) ร่วมกบั MOVs (Metal oxide varistor) และ Transorbs (Bi-directional semiconductor) ดงัรูป