Yazan : Bruce Archambeault, Associate Editor (EMC Society Newsletter, Issue No. 210, Summer 2006)
Çeviren : oytunokt

Elektrik mühendisleri baskı devre şeması çizimlerine oldukça aşinadır. Şemalar, belirlenmiş işaretleri taşımak için eksiksiz olsa da işaret yollarının çok önemli bir bölümü eksiktir. İşaret gerilimleri genellikle “toprağa” göre alınır ve şematik, tüm bu işaretlerin aynı referansa sahip olduğunu varsayar. Fakat bu, yüksek hızlı işaretler için doğru değildir.

Şekil 1

“Toprak” kavramı büyük bir alanın (örneğin, baskı devre veya metal şase) aynı gerilimde/potansiyelde olmasını gerektirir. Düşük frekanslarda (örneğin ses frekans aralığında) bu kolayca gerçekleştirilebilir ve “toprak” kavramı kesin bir anlama sahiptir. Buna rağmen bugünün yüksek hızlı veri değerlerinde, işaretin frekans içeriği dikkate değer biçimde çoğalır ki bu da kullandığımız “toprak” alanından daha küçük dalga boylarında sinyalleri ortaya çıkarır. Bu sonuç, “toprak” plakasında(veya şasede) gerilim farkına sebep olur ve “toprak” kavramının yüksek frekanslarda hiçbir anlamı kalmaz. Yüksek frekans işaretleriyle uğraşırken, “Toprak patatesler ve havuçlar içindir”i hatırlamak önemlidir. “Toprak” büyüsünü yitirir… basitçe olası bir işaret yolu olur.

EMG/EMU için önemli bir nokta, işaret yollarında gerilimi değil de akımı göz önünde bulundurmamız gerektiğidir. Akım her zaman bir çevre (loop) üzerinden kaynağına geri aktığından, dönen akım yolu, baskı devre izleri üzerindeki belirlenmiş işaret yolları kadar göz önünde bulundurulmalıdır. Dönen akım yolu üzerindeki herhangi bir kesinti, baskı devrenin EMG/EMU performansı üzerinde cidden kötü sonuçlar doğurabilir. Dönen akım yolundaki çok küçük bir sapma, yayılımı çarpıcı şekilde arttıracak yeterli endüktansa neden olabilir.

Şekil 2. Başlangıçtaki iki kart yapılanması

Şekil 3. Başlangıçtaki yapılanma için dönen akım yolları

Dönen akım yolu anakart/yavrukart yapılanmaları göz önüne alındığında gene çok önemlidir. Şekil 1, basit dört katlı kartın anakart/yavrukart yapılanması örneğini ve bir işaretin anakarttan yavru karta konektör üzerinden yolunu gösteriyor. Eğer dönen akımın nasıl aktığını dikkate alırsak, dönen akımın GND ve PWR arasındaki dielektrik içerisinden yer değiştirme akımı olarak, ayrıştırma (decoupling) kapasitörlerine ayrıldığı kadar iyi ayrılacağını (aralarındaki uzaklık ve düzlemler arasındaki uzaklığa bağlı) beklememiz gerekir. Şekil 2, bu yapılanma için dönen akımı göstermektedir. Artan dönen akım yolu uzunluğu tüm yolda ek endüktans meydana getirir, bunun sonucu olarak da iki toprak (GND) plakası (konektör’ün ayırdığı iki plaka) arasında “gürültü” gerilimi oluşur. Bu gürültü gerilimi, geniş, ince, tek kutuplu benzeri anteni sürer, artan yayılmayla sonuçlanır.

Bunlara rağmen, eğer basitçe dönen akım yoluna dikkat etseydik ve işaret yolunu aynı düzleme (PWR veya GND) referans verecek şekilde yönlendirseydik, dönen akımlar işaret yoluna daha yakın kalabileceklerdi (Şekil 3) ve yayılım çok azaltılmış olacaktı.

Dönen akım yolunu göz önüne aldığımızda, daha fazla “toprak” genelde “doğru” cevap değildir! Örneğin, güncel bir tasarımda, birçok hızlı işaret 144-bacaklı konektör üzerinden bir karttan diğerine geçiyordu. “Güç” ve “toprak” için 30 bacağın kullanılabileceği kararlaştırılmıştı. En azından 5 bacağın ”güç” bacağı olması sayesinde konektör üzerinde aşırı DC gerilim düşmesi olmayacaktı. Geriye kalan 25 bacağın kaçı “toprak” olmalıydı?

Bu örnek tasarımda, bütün işaret bacaklarının yaklaşık 2/3’ü “güç” levhası üzerine ve sadece 1/3’ü “toprak” levhası üzerine referanslandırıldı. Bu, toplam 30 muhtemel güç/toprak bacağının, 2/3’ünün “güç” ve sadece 1/3’ünün “toprak” olması gerektiği anlamına gelir! Fazla “toprak” bacağı bu durum için en iyi tasarım DEĞİLDİR. Tabii ki, bir an, bütün “güç” ve “toprak” bacaklarını dönen akım yolları olarak düşünürsek, dönen akım değişimini mümkün olduğunca küçük tutmak için bunları işaret bacakları arasında dağıtmamız gerekir (bütün “toprak” bacaklarını konektörün ayrı uçlarına koymakla karşılaştırıldığında).

Şekil 4. Geliştirilmiş geri dönen akım yapılandırması

Şekil 5. Geri dönen akım için kötü bir tasarımının Topraktan Toprağa ölçülen gürültü örneği

“Toprak”tan ”toprağa” gürültü gerilimi çok gerçektir. Anakarttaki “toprak” tabakası ile yavrukarttaki (bu durumda bir hafıza modülü, DIMM) “toprak” tabakası arasında ölçülen basit gerilim farkı ölçümü Şekil 4’te gösterilmektedir. 2.5V işaret gücü için ölçülen gürültü gerilimi tepeden tepeye 0.8V olarak ölçülmüştür! Toplam işaret gerilim salınımının yaklaşık 1/3’ü sadece “toprak” gürültüsüdür. Bu örnekte (Şekil 4), dönen akım yoluna hiçbir önem verilmemişti ve iki plaka arasındaki toprak referanslarında oluşan gürültü belirgindi.

En büyük ilgiyi iyi bir EMG/EMU tasarımı için gösterirsek, baskı devre şeması, işaret yolunun fiziksel yerleşimi ve dönen akım kadar önemli değildir. Bugünkü yüksek hızlı baskı devreler çok katman içerdiklerinden ve çok karmaşık olduklarından, bir mühendis için her kritik işaret yolunun iyi bir akım dönüş yolu için incelemek çok zordur. Otomatikleştirilmiş EMU kural kontrol araçları baskı devrenin karmaşıklığından bağımsız olarak her defasında bir dönüşü inceleyebilir. Buradaki püf nokta otomatik kural kontrol aracını, hali hazırdaki tasarım işleminize arayüz oluşturabilecek, kolay kullanımlı olacak, çiğnenen kuralları grafiksel ve anlaşılması kolay şekilde gösterebilecek şekilde seçmektir.

Yüksek hızlı baskı devreler için en önemli EMU tasarım kuralları dönen akım yolları ile ilgilidir. Dönen akım her zaman için kendine o yolun endüktansını en aza indirecek bir yol bulacağından, dönen akım her zaman en yakın plakadan, “toprak”, “güç” veya “havuç” olmasına bakmaksızın, akacaktır. Yollar dönüş plakasında bir çatlaktan (örneğin, eğer bir yol birçok güç adasının bulunduğu güç katmanının yanında yönlendirilirse) geçtiklerinde, dönen akımın yolu kesintiye uğrar. Baskı devre içerisindeki katmanları değiştirmek bu yüzden dönen akımın da plaka değiştirmesi, dönen akım yolunu benzer şekilde kesintiye uğratacaktır. Hatırlanmalı ki, dönen akım her zaman tekrar kaynağına geri döner. Kaynağına dönecektir. Tek soru bu yol size faydalı mı yoksa sorun çıkaran mı olacak? Bu yüzden “Bu gün şanslı mı hissediyorsunuz?”. Her zaman için en iyisi “şansla” tasarlamaktan ziyade “amaçlı” tasarlamaktır.