نویز در برد الکترونیکی چیست وچه انواعی دارد؟

نویز در برد الکترونیکی و روش های حذف آن از چالش های اصلی و همیشگی مهندسین الکترونیک بوده است. با شناخت مفهوم و منابع نویز، می توان راهکارهایی عملی و کاربردی مانند شیلدینگ، خازن های بای پس و … برای حذف نویز و عملکرد بهینه برد مدار چاپی و الکترونیکی در پروژه های صنعتی ارائه داد.

نویز چیست؟

در مهندسی الکترونیک، نویز به معنای اختلالی ناخواسته در سیگنال الکتریکی است.

.In electronics, noise is an unwanted disturbance in an electrical signal

برای درک بهتر، تعاریف لغت Noise در دیکشنری آکسفورد را مطرح می کنیم:

• سیگنال اضافی که بخشی از سیگنال ارسالی یا در حال پخش نیست و ممکن است به سیگنال اصلی آسیب برساند.
• اطلاعات ناخواسته ای که به وضوح اطلاعات اصلی آسیب می زند.

نویز چه مشکلاتی برای سیستم های الکترونیک ایجاد می کند؟

نویز همیشه یکی از عوامل مهم و مشکل ساز در طراحی مدارات است. تصور کنید کاربر 1 قصد ارتباط با کاربر 2 از طریق ارتباط رادیویی را دارد. اگر سیستم نویز زیادی تولید کند یا نویزپذیری بالایی داشته باشد، صدا منتقل شده واضح نیست و سیستم عمل کرد بهینه ای نخواهد داشت.

یا در مثالی دیگر، اگر اصول EMC (در ادامه اشاره خواهیم کرد) در طراحی برد کنترل دور موتور سه فاز کارخانه رعایت نشود، چه فاجعه ای می تواند رخ دهد؟ اگر سیگنال قطع یا کاهش دور موتور به واسطه نویز بالا محیط به درستی منتقل نشود، موتور و سیستم به نقطعه ناپایداری خواهد رسید!

به این جهت شناخت منابع نویز و راه های کاهش اثر پذیری مدار در برابر نویز، از مهمترین اصول مهندسی الکترونیک خصوصا در پروژه های حساس صنعتی، مخابراتی و نظامی است.

منابع نویز

منابع نویز به دو گروه داخلی و خارجی تقسیم بندی می شوند:

منابع نویز داخلی

به واسطه ایده آل نبودن خواص عناصر مدار و الکتریسیته، به صورت داخلی در سیستم ایجاد می شود.

گرمایی (Thermal Noise)

در دما بالای صفر درجه به علت تأثیر گرما بر جنبش الکترون ها رخ می دهد و معمولاً نویز سفید (چگالی در تمام سیگنال یکسان) است. این نویز معمولاً اجتناب ناپذیر، در رسانا ها رخ می دهد و تأثیر زیادی ندارد.

تقسیم شدگی (Partition Noise)

نویز پارتشین ناشی از تقسیم تصادفی الکترون ها بین چند مسیر است و در مسیر هایی که جریان تقسیم می شود به وجود می آید.

پاپ کورن (Burst noise)

ناشی از تغییرات ناگهانی سطح ولتاژ در مدار (مثل صفر و یک شدن) است.

به همین دلیل خود مدارات دیجیتال یا تغذیه های سوئیچینگ، منبع نویز هستند.

منابع نویز خارجی

به نویز هایی گفته می شود که توسط یک منبع خارجی تولید شده و به سیستم اثر می گذارد.

• صنعتی (Industrial noise): موتور های الکتریکی، لامپ های فلورسنت، سیستم‌های فشار قوی و … مثال هایی از منبع نویز صنعتی هستند. به همین جهت طراحی و تولید پروژه های صنعتی از حساسیت و ملاحظات خاصی بهره مند است.
• منابع تغذیه (Power Supply noise): نویز ناشی از تبدیل ولتاژ AC به DC در منابع تغذیه است. این نویز معمولاً در منابع تغذیه سوئیچینگ بیشتر است.
• متقاطع (Crosstalk): زمانی رخ می دهد که سیگنال های مختلف در کانال های مختلف بر هم اثر منفی بگذارند و تداخل ایجاد کنند. عدم رعایت اصول طراحی برد مدار چایی، این نویز را در مدار افزایش می دهد.
• جوی یا ایستا (Atmospheric noise): در اثر اختلالات الکتریکی طبیعی مانند رعد و برق رخ می دهد.
• خورشیدی (Solar Noise): نویز ناشی از تابش نور خورشید
• کیهانی (Cosmic Noise): از سیارات و ستاره های دور دست منتشر شده و در فرکانس های رادیویی بیشتر از 15 مگاهرتز ظاهر می شود.

راهکار های کاهش نویز در مدارات

تا به اینجا با تعریف نویز و انواع آن آشنا شدیم. در ادامه به راهکارهایی برای کاهش اثر نویز یا کاهش تولید نویز در مدارات اشاره خواهد شد.

Filtering یا فیلتر کردن

استفاده از انواع فیلتر فعال و غیرفعال در انتقال سیگنال

یکی از مرسوم ترین روش ها برای کاهش نویز، استفاده از فیلتر ها در خطوط سیگنال است. مثال عملی از این تکنیک، لایه های فیلتر در مدارات امپلی فایر و بین طبقات تقویت کننده است.

خازن دیکوپلینگ (Decoupling capacitor)

به صورت موازی با تغذیه مدار قرار گرفته و با توجه به ظرفیت بالا این خازن ها، باعث فیلتر-حذف نویز های فرکانس پایین در تغذیه مدار می شود. همچنین در صورت نیاز مدار به جریان کشی لحظه ای، به کمک منبع تغذیه می آید.

خازن بای پس (BYPASS Capacitor)

این نوع خازن با ظرفیت پایین در نزدیکی تراشه هدف (مانند میکروکنترلر ها) قرار می گیرد و نویز های فرکانس بالا را حذف می کند.

مهمترین شاخص های خازن بای پس مناسب چیست؟

ESL و ESR پایین ( وابسته به نوع خازن) + امپدانس کم مسیر های اتصال خازن (وابسته به طراحی و ویژگی های PCB)

خازن های تانتالیوم و مولتی لایر ESR و ESL مناسبی دارند و در بسیاری از موارد، انتخاب مناسبی به عنوان خازن بای پس مدارات هستند.

نکته: خازن بای پس و دیکوپلینگ نوع خاصی از خازن نیستند! این نام گذاری ها با توجه به کاربرد آن‌ها انجام شده و صرفاً خازن هستند که در مدارت و کاربرد های مختلف استفاده می شود.

فریت بید (Ferrite bead)

در فرکانس های بالا مانند سلف با امپدانس بالا فعال می شود و فیلتر می کند. معمولاً در کابل تغذیه و نزدیکی مصرف کننده نصب می شود و نویز های تغذیه را فیلتر می کند.

EMI Filter

مداری کاربردی برای فیلتر نویز های ورودی به منابع تغذیه (برق شهر) یا خروجی از منابع تغذیه است. مدارات فیلتر EMI در انواع سیستم های صنعتی حساس و گاهی به عنوان بخشی از منبع تغذیه، استفاده می شود.

Shielding یا شیلد کردن

تمام روش های شیلدکردن در سیستم های الکترونیک، بر پایه آزمایشی به نام «قفس فارادی» است.

انواع روش های شیلدینگ با بهبود حفاظت از قربانی اختلال (Victim) و کاهش قدرت منبع اختلال (EMI Source) موجب بهبود EMC می شود.

EMC چیست؟ سازگاری الکترومغناطیسی (Electromagnetic Compatibility) روش ها و استاندارد هایی برای کاهش تداخل الکترومغناطیسی (EMI) ارائه می کند.

قفس فارادی

برد در جعبه ای با بدنه فلزی – متصل به زمین قرار می گیرد. مثالی عملی از کاربرد این تکنیک، بدنه فلزی برخی ماژول ها مانند ESP8266, ESP32 و SIM800 است.

کابل های شیلد دار (Shielding cables)

شیلد کردن کابل ها، عمل کردی مشابه قفس فارادی دارد و نیز پذیری کابل ها را کاهش می دهد. انواع کابل های CAT6 و CAT5 به صورت شیلد دار در بازار عرضه می شود که به نسبت نمونه های بدون شیلد، عمل کرد بهتر و قیمت بیشتری دارند.

پلیگان (polygons)

پلیگان در PCB موجب شیلدینگ مسیر های عبور جریان می شود. در تعریف پلیگان، رسانایی متصل به زمین است که در قسمت های خالی برد را پوشش می دهد و باعث بهبود EMC می شود.

 Via shield

بلوک های مختلف مدار را از یکدیگر تفکیک می کند و تداخل آن ها را کاهش می دهد. وایا شیلد در انواع مدارات مخابراتی و چند لایه مانند تلفن های همراه کاربرد دارد.

Isolation یا ایزوله سازی

جداسازی لایه ها بر اساس نوع کاربرد

در این تکنیک سعی بر این خواهد بود که هر لایه صرفاً به یک کاربرد محدود شود. به عنوان مثال لایه VCC ، لایه زمین، لایه مسیر های فرکانس بالا و …

جداسازی بلوک های مدار

بلوک های متخلف مدار مانند بلوک تغذیه، پردازش، مبدل آنالوگ به دیجیتال و … از یک دیگر فاصله می گیرند تا تداخل میان آن ها کاهش یابد.

یزولاسیون با استفاده از نور

المان های الکترومغناطیسی مثل رله، موتور و … یا عناصری که واسط انتقال نویز هستند، با استفاده از اپتوکوپلر ایزوله شوند.

در این تکنیک ابتدا سیگنال الکتریکی به نور تبدیل و پس از انتقال، مجدد به سیگنال الکتریکی تبدیل می شود. این روش علاوه به افزایش ایمنی مدار (خصوصا در ولتاژ های بالا) موجب کاهش اثر نویز مدارات قدرت بر مدارات کنترلی می شود.

جداسازی تغذیه های آنالوگ و دیجیتال

مدارات دیجیتال با توجه به تغییرات سریع سطوح ولتاژ (رجوع به منبع نویز پاپ کورن)، خود عامل ایجاد نویز در تغذیه مدارات هستند. تفکیک زمین تغذیه دیجیتال و آنالوگ باعث عملکرد بهتر سیستم می شود.

تکنیک های طراحی مدار برای کاهش نویز

سیم های مزدوج (Twisted pair wiring )

به هم پیچیدن سیم ها هنگامی که جهت جهت جریان در دو سیم مخالف است، باعث خنثی سازی دو میدان و در نتیجه کاهش القاء الکترومغناطیسی سیم ها در یک دیگر می شود. (خنثی سازی متقابل میدان ها به علت شدت یکسان میدان در هر سیم و جهت مخالف )

این تکنیک به طور مشابه در طراحی PCB با عنوان differential pair استفاده می شود. پروتکل USB از این تکنیک برای انتقال بهتر اطلاعات استفاده می کند.

تبدیل ولتاژ به جریان

ولتاژ انالوگ حامل داده، به جریان (عموما 4 تا 20 میلی آمپر) تبدیل شده و منتقل شود. سپس مجدد به ولتاژ اولیه تبدیل شده و مورد پردازش قرار می گیرد. حذف نویز در کابل های انتقال و افزایش مسافت انتقال (با توجه به عدم افت ولتاژ) از مزایا این روش است.

این تکنیک در اتصال سنسور ها به سیستم های کنترل صنعتی، کاربرد بسیاری دارد.

استفاده از منابع تغذیه خطی به جای سوئیچینگ

در مورادی که نویز اهمیت بیشتری از گرما، تلفات، حجم مدار و … دارد، منابع تغذیه خطی مانند 7805 ، AMS1117 و … انتخاب بهتری نسبت به منابع سوئیچینگ هستند.

نکات طراحی PCB برای کاهش نویز مدار

در طراحی PCB برای کاهش نویز از موارد زیر استفاده شده است.

• بلوک های داده فرکانس بالا با کمترین فاصله از بلوک پردازش سیگنال فرکانس بالا قرار گرفته است.
• خازن های بای پس باید نزدیک به اجزا قرار گیرند. (بهترین نوع خازن برای این کاربرد، خازن تانتالیوم است)
• ترک سیگنال ها تا حد ممکن کوتاه باشد ( به جز ترک هایی مثل آنتن که باید طول خاصی داشته باشند)
• جفت های تفاظلی باید در کنار هم، با طول یکسان و با فاصله از سایر ترک ها کشیده شود.
• اگر در دو لایه سیگنال وجود دارد، مسیرکشی در یکی افقی و دیگری عمودی باشد تا crosstalk کاهش یابد.
• فاصله ترک های مجاور هم، بیشتر از قطر ترک ها باشد.
• به عنوان یک قاعده کلی، از گوشه های 90 درجه در ترک کشی استفاده نکنید.

کلام آخر

نویز به اختلال ناخواسته در سیگنال الکتریکی گفته می شود که در صورت عدم کنترل، می تواند موجب اختلال در عمل کرد مدار الکترونیکی شود. نویز از منابع داخلی یا خارجی ایجاد شده و به مدار وارد می شوند.

مهمترین راهکار های کاهش نویز پذیری مدار (خصوصا EMI) به سه دسته فیلتر کردن، شیلد کردن و ایزوله سازی تقسیم می شود و پایبندی به این اصول، عمل کرد بهینه و مطمئن سیستم را تضمین می کند. همچنین می توانید بهترین مدار مورد نیازتان را از مرصا الکترونیک تهیه کنید.