ايجاد نويز به عوامل متعدد بستگي دارد كه گاه امكان حذف همه اين عوامل وجود ندارد ولي با به كارگيري برخي اصول و قوانين و استفاده از تكنيك‌هاي طراحي مي‌توان تا حد قابل ملاحظه‌اي نويز را در سيستم كاهش داد و يا اثرات آن را تضعيف نمود.

- كليد واژه‌ها -

- ( Electromagnetic Compatibility ( EMC  :  قابليت همزيستي محصول در محيط الكترومغناطيسي بدون هر گونه اختلال در عملكرد آن و يا ايجاد آسيب احتمالي.

- ( Eletromagnetic  Interference ( EMI  : انرژي مختل كننده  كه از طريق تشعشع يا مسیرهاي هدايتي ( الكتريكي ) منتقل مي‌گردد.

- Radiated  : انرژي كه از طريق آنتن يا حلقه جريان منتقل مي‌گردد.

-  Conducted  : انرژي كه از طريق Solid Medium  مانند كابل ، اتصالات PCB  و ... منتقل مي‌گرد.

- ESD  : در اثر مالش دو جسم غير هم جنس الكتريسيته ساكن ايجاد مي‌گردد كه امكان ايجاد جرقه را موجب مي‌گردند. ( ولتاژ 5Kv  تا  3Kv  )

- Noise Source  :  منبعي كه ايجاد اختلال الكترومغناطيسي مي‌كند.

-  Victim  : سيستمي كه در معرض اختلال قرار دارد.

-  Coupling Path  : واسط انتقال انرژي از منبع نويز به Victim .

1-  منابع نويز

منابع عمده ايجاد نويز عبارتند از :

1-1-  ذاتي

 1-1-1-  فعاليت گالوانيكي
 1-1-2-  فعاليت الكتروليتي
 1-1-3-  اثر تريبو الكتريك
 1-1-4-  حركت سيم
 1-1-5-  Shut noise 

1-2-  منابع نويز دست‌ساز بشر ( موتورها و سيم‌پيچ‌ها )

1-3-  نويز ناشي از اغتشاشات جوي ( رعد و برق )

فعاليت گالوانيكي :   وجود دو فلز غير هم‌نام ايجاد خوردگي مي‌نمايد كه باعث ايجاد نويز مي‌گردد. براي فعاليت گالوانيكي سه عامل اساسي وجود دارد :  1-  فلز آند    2-  فلز كاتد    3-  الكتروليت. عامل الكتروليت تسريع كننده خوردگي ( نويز ) وجود رطوبت است. براي جلوگيري از فعاليت گالوانيكي مي‌توان همواره از فلزات يك گروه در جدول گالوانيكي استفاده نمود.

V                   IV          III              II            I
نقره        نيكل         فولاد       روي                  منگنز
طلا         مس         آهن        آلومينيوم 
پلاتين     برنز           سرب       فولاد گالوانيزه 

به عنوان مثال اگر فلز آلومينيوم ( گروه III  ) در كنار مس ( گروه IV  ) قرار گيرد خوردگي شديد و به تبع آن نويز ايجاد مي‌گردد.

فعاليت الكتروليتي :   عبور جريان از دو فلز كه بين آنها الكتروليت قرار دارد ايجاد فسادي در الكتروليت مي‌نمايد كه ميزان فساد به جريان و هدايت الكتروليت بستگي دارد. توصيه آن است كه از خازن‌هاي الكتروليت حتي‌المقدور استفاده نگردد.

فعاليت اثر تريبو الكتريك :   در صورت جدا شدن دي‌الكتريك در اثر خمش مكانيكي كابل از سيم‌ هادي جريان ، روي آن ( دي‌الكتريك ) مقداري بار جمع مي‌گردد كه منبع نويز مي‌گردد. بنابراين بايستي از ايجاد شكستگي در طول كابل جلوگيري نمود و يا از كابل‌هاي با دي‌الكتريك مناسب تر استفاده نمود.

حركت سيم :   به علت وجود ميدان مغناطيسي پراكنده ، حركت سيم باعث القاء ولتاژ و در نتيجه ايجاد نويز مي نمايد.

شات نويز :   حركت تصادفي الكترون‌ها در المان‌ها و سيم‌ها باعث ايجاد نويز مي‌نمايد. سعي نماييد از مقاومت‌هاي با اندازه كم استفاده نماييد.

2-  روش‌هاي كوپلاژ نويز

2-1-  كوپلاژ هدايتي
2-2-  كوپلاژ امپدانس مشترك
2-3-  تشعشع ميدان‌هاي الكتريكي و مغناطيسي

كوپلاژ هدايتي :   اين نوع كوپلاژ به جهت استفاده از مسير تغذيه مشترك ايجاد مي‌گردد و با جلوگيري از نويزي شدن كابل‌ و حذف نويز از روي سيم‌ها توسط دي‌كوپل ( نويز فيلتر ، Bead  ، وريستور و ... ) مي‌توان مسير اين كوپلاژ را بست.

كوپلاژ امپدانس مشترك :   در فضاي واقعي هرگز دو گره داراي پتانسيل يكسان نمي‌باشند. سيگنال مبناء دقيقاٌ برابر پتانسيل صفر نمي‌باشد و بلاك‌هاي مدار را با وجود يك امپدانس مشترك مي‌توان به تقريب مدل نمود. دو نوع مدل براي امپدانس مشترك وجود دارد كه در هر كدام تغيير جريان يك بلاك باعث ايجاد يك تغيير ولتاژ ناخواسته در بلاك ديگر مي‌گردد كه نويز محسوب مي‌گردد. با حذف امپدانس مشترك با روش‌هاي چون استفاده از خازن دي‌كوپل ، به كار بردن ترك‌هاي پهن و كوتاه و يا سطح گسترده زمين مي‌توان از كوپلاژ نويز جلوگيري نمود.

كوپلاژ تشعشع ميدان‌هاي الكتريكي و مغناطيسي :  به طور كلي حلقه‌هاي جريان با ايجاد ميدان مغناطيسي زمينه‌ساز اختلال مي‌گردند. ميدان مغناطيسي ناشي از يك حلقه جريان در دو حالت ميدان‌هاي دور و نزديك بررسي مي‌گردند كه معيار دوري و نزديكي طول موج جريان مي‌باشد. به عبارتي براي فاصله‌هاي كمتر از  ميدان نزديك و براي فاصله‌هاي بيشتر ميدان ، دور محسوب مي‌گردد. در فاصله‌هاي نزديك تاثيرات ميدان‌هاي الكتريكي و مغناطيسي حلقه جريان به شكل جداگانه بررسي مي‌گردند و در فاصله‌هاي دور به شكل مؤلفه‌هاي عمود بر هم موج الكترومغناطيسي محسوب مي‌شوند. براي كاهش تشعشع ميدان‌هاي الكتريكي و مغناطيسي بايستي سطح حلقه را تا حد ممكن كاهش دهيد و در صورت عدم امكان كاهش سطح حلقه مي‌توان از خازن‌هاي دي‌كوپل براي كاهش سطح حلقه استفاده نمود.به ازاء هر 50% كاهش سطح مؤثر حلقه جريان 6db  ميدان مغناطيسي كاهش مي‌يابد.

3-  روش‌هاي كاهش نويز

3-1-  كاهش سرعت كلاك سيستم : براساس عمليات وقفه‌ها و روال اصلي و حفظ همزماني ( Real Time )  حداقل سرعت كلاك را انتخاب نماييد.

3-2-  براساس محدوديت‌ها و خواسته‌هاي سيستم تكنولوژي ساخت قطعات را انتخاب نماييد.هرگاه فركانس‌كاري سيم به اندازه 50% كاهش يابد ، EMI  به اندازه 12db  كاهش مي‌يابد.

3-3-  اندازه حلقه مغناطيسي را تا حد ممكن كاهش دهيد : يكي از روش‌هايي كه همچنان قبلاٌ توضيح داده شد استفاده از خازن‌ها دي‌كوپل مي‌باشد كه در جريان‌هاي لحظه‌اي مسير جريان را در حلقه‌اي كوچكتر مي‌بندند.

3-4-  خطوط سيگنال را تا حد ممكن به سيگنال زمين نزديك بگيريد : اندوكتانس پارازيتي دو هادي كه حامل جريان يكسان و در جهت مخالف يكديگر مي‌باشند ، يكديگر را ضعيف مي‌نمايند. حال اگر سيگنال برگشت ( زمين ) و سيگنال رفت داراي شكل يكسان و جنس واحد باشند و نزديك يكديگر قرار گيرند.مي‌توانند اندوكتانس معادل صفر داشته باشند.

      Lt = L1 + L2 – 2Mk           Mk= Mutuel Inductance 

      Mk =  K              L1 , L2 =  Self Indutance  

اگر شرايط ذكر شده رعايت گردد L2 ≈ L1  و K ≈ 1  مي‌گردد و LT = 0  مي‌گردد. در واقع يكسان بودن جنس و اندازه‌ها و جريان هادي‌ موجب مي‌گردد L2 ≈ L1  گردد و نزديك بودن دو هادي موجب مي‌گردد K ≈ 1  گردد.

3-5-  حلقه‌هاي اسيلاتور كريستال را كوچك نماييد: يكي از مهمترين منابع نويز سيستم بخش اسيلاتور مي‌باشد ، كه بايستي اقدامات اساسي در مورد آن اعمال نمود. نزديك بودن المان‌ها به يكديگر و دور بودن از مسير سيگنال ديگر بالاخص مسيرهاي حساس چون سيگنال‌هاي آنالوگ ، بلوك‌هاي RF و ... از جمله اين اقدامات است. 

3-6-  ايجاد حلقه‌هاي جريان در جهت‌هاي مختلف : ايجاد جريان حلقه‌هاي مختلف‌الجهت ، ميدان مغناطيسي برآيند صفر مي‌گردد.  با استفاده از يك خازن دي‌كوپل براي دو آي‌سي مسيرهاي جريان لحظه‌اي ايجاد ميدان‌هاي مختلف‌الجهت مي‌نمايند بنابراين حاصل ميدان صفر است. توجه داشته باشيد كه دو آي‌سي بايستي يكسان بوده باشند تا حذف كامل باشد.

3-7-  استفاده از سطح گسترده زمين و تغذيه : مهمترين روش كاهش اندوكتانس پارازيتي استفاده از سطح گسترده زمين و تغذيه است.عموماٌ سطوح زمين و تغذيه را در لايه‌هاي داخلي‌تر در نظر بگيرند تا ميزان اندوكتانس به حداقل برسد و همچنين خازن بزگتر باعث دي‌كوپل مناسب‌تر در فركانس‌ها بالا مي‌گردد.

3-8-  انتخاب خازن‌هاي مناسب دي‌كوپل : مدار معادل خازن يك مدل RLC  مي‌باشد. كاملاٌ واضح مي‌باشد كه در فركانس‌هاي كمتر از فركانس تشديد رفتار ، خازني و در فركانس‌هاي بالاتر از فركانس تشديد رفتار ، سلفي و در فركانس تشديد رفتار اهمي است.به طور مثال فركانس تشديد خازن عدسي 100nF  حدود 6-7MHz  مي‌باشد. همچنين استفاده از چندين خازن متفاوت و موازي باعث حذف باند قابل توجه‌اي از نويز مي‌گردد.

3-9-  انتخاب Package  در كوچكترين اندازه : به طور كلي اتصال پايه‌ها به DIE  داراي اندوكتانس مي‌باشند كه در مثال ما به جاي DIL   انتخاب PLCC Package  اثر اندوكتانس را كمتر مي‌نمايد ، به طوري كه LP(DIL) = 20nH  و LP(PLCC)=6nH  مي‌باشد و همينطور ميزان اندوكتانس معادل پايه‌ها DIE  حدود 2nH  مي‌باشد.

3-10-  استفاده از Bead : در واقع Bead  داراي مدار معادل RL  مي‌باشد.كه معمولاٌ در بخش‌هاي كه مقاومت خروجي كمي دارند از جمله تغذيه ، تقويت‌كننده‌هاي كلاس C  و ... استفاده مي‌گردند. به علت تفاوت اندوكتانس بالاي Bead  در فركانس‌هاي بالا مي‌تواند تغييرات شديد ولتاژ به سمت ديگر جلوگيري نمايد.

3-11-  انتخاب Package   با vcc  نزديك به هم : وقتي vcc  و vss  نزديك يكديگر باشند ضريب اندوكتانس مشترك به نزديك 0.8 و برابري اندوكتانس مشترك و اندوكتانس خط رفت و يا برگشت جريان منجر به صفر شدن اثر اندوكتانس كل مي‌گردد.

3-12-  انتخاب Package  با پايه‌هاي Vcc  و Vss  متعدد در طرفين : تعدد پايه‌هاي Vcc  و Vss  ميزان ميدان مغناطيسي به ازاء هر دو برابر شدن 6db  كاهش مي‌دهد و اگر پايه‌ها همسان ( مثلاٌ زمين ) در طرفين باشند 3db  الي 4db  نيز علاوه بر آن كاهش خواهيم داشت.

3-13-  پهناي Track را حد اكثر كنيد: پهناي زياد و طول كم باعث كاهش رزيستانس و اندوكتانس و در نتيجه كاهش ريپل و افت ولتاژ مي‌شود.

3-14-  استفاده از سلف با هستة فريت : به جهت كاهش ميدان‌هاي مغناطيسي پراكنده با هسته فريت توصيه مي‌گردد. در صورت اجبار از استفاده از سلف بدون هسته فريت آن را نسبت به برد عمودي قرار دهيد.

3-15-  استفاده از خازن‌هاي دي‌الكتريك X7R , NPO , COG  : اين خازن‌هاي داراي ESR  كم و پايداري حرارتي خوبي باشند. خازن COG  داراي Q  بالا مي‌باشند و خازن‌هاي NPO  در مدارات RF  عموماٌ استفاده مي‌شوند. خازن‌هاي X7R  داراي موارد استفاده مختلفي مي‌باشند ولي داراي پايداري حرارتي خيلي خوبي نيستند.

3-16-  منطقه‌بندي برد به شكل مناسب صورت بگيرد : المان‌هاي Active Linear  جزء منظقه « پاك » ، المان‌هاي ديجيتال « نا پاك » و المان‌هاي Passive  جزء « بي‌تفاوت » قرار مي‌گيرند. بنابراين منطقه‌بندي اين المان‌ها و دي‌كوپل كردن اثرات آنها مهم است. شايد ذكر اين نكته لازم است كه المان‌هايي كه اثرات نامطلوب نويزي ايجاد مي‌نمايند عنوان « نا پاك » و آنهايي كه اثرپذيري از نويز دارند « پاك » تلقي مي‌گردند.

4-  نكات كلي در ترسيم PCB 

4-1-  در ترسيم Track   بايستي سعي شود كه مشخصه امپدانسي آنها در طول مسير تغيير ننمايند. بنابراين بايستي از حداقل VIA  استفاده شود و نيز پهناي آن در طول مسير ثابت بماند و زواياي تغيير مسير ربع دايره و يا 135°  باشد. توجه داشته باشيد كه VIA  باعث انعكاس مي‌گردد.

4-2-  در محل Interface  ( ورودي يا خروجي ، كانكتورها ، ... ) از Barrier  ( شامل شبكه RC ، LC  يا Bead  ) استفاده نمايند.

4-3-  از المان‌هايي با پايه كوتاه استفاده نمايند. به طور مثال المان‌هاي SMD  بر DIL  مرجح مي‌باشند.

4-4-  كانكتورها در خارجي‌ترين قسمت برد قرار گيرند.

4-5-  Track هاي حساس را ازنقاط نويزي دور گردانيم.

4-6-  از Auto Route  و Auto Place   استفاده ننماييم يا آنكه با دقت بسيار زياد استفاده كنيم تا اصول كلي بحث بالا خدشه‌دار نگردد.

4-7-  Track  فيدبك را تا جاي ممكن از كنار سلف‌ها و مسيرهاي تغذيه نگذرانيم.

4-8-  براي Auto Route  احتمالي از روش‌هاي زير استفاده نماييم :
 4-8-1-  حلقه‌هاي خازن‌هاي دي‌كوپل سر راه تغذيه را ابتدا رسم نماييم.
 4-8-2-  مسير زمين و تغذيه را را با اصل حداقل بودن فاصله مسير رسم نماييد.
 4-8-3-  مسيرهاي مهم و حساس را شناسايي و رسم نماييد.
 8-4-4-  مدار را Freeze  نماييد.
 8-4-5-  مابقي مسيرها را Auto Route  نماييد.

4-9-  روش‌هاي كلي حذف تداخل عبارتند از :
 -  شيلد كردن
 -  زمين كردن
 -  بالانس كردن
 -  فيلتر كردن
 -  ايزوله كردن
 -  جداسازي و جهت‌دهي
 -  كنترل سطح امپدانس مدار
 -  طراحي كابل
 -  حدف كردن نويز در حوزه زمان و فركانس