با توجه به پیشرفت هایی که در عرصه پردازش دیجیتال صورت گرفته و موبایل ها نیز به پردازنده هایی مجهز شده اند که امکان پردازش سیگنال با سرعت بالا را به آنها می دهند که هر روز بر سرعت پردازش این پردازنده ها افزوده می شود لذا طراحی بردهای فرکانس بالا (یعنی سیگنال های الکتریکی با فرکانس بالا از مسیرهای (trace) روی برد و درون برد (بردهای چند لایه) عبور می کنند) مطرح می شود. در عین حال بردهای موبایل بردهای رادیویی یا RF نیز هستند یعنی با سیگنال های رادیویی نیز سرو کار دارند. بنابر این طراحی آنها از پیچیدگی خاصی برخوردار است.
در گذشته فرکانس سیستمها از حد چند مگاهرتز تجاوز نمی کرد و بردهای مدار چاپی یا PCB یک یا دو لایه تنها به عنوان بستری جهت قرار دادن المان ها و برقراری ارتباط بین آن ها مورد استفاده قرار می گرفت. همچنین نحوه اتصال و قرار گیری المانها و مسیرها تاثیری در کارایی سیستم نداشت. اما امروزه با افزایش فرکاس تا حد چند گیگاهرتز، پدیده های جدیدی امکان وقوع خواهند داشت که در صورت عدم طراحی صحیح برد و آشنایی با اصول لازم در این زمینه، به بروز اختلال در عملکرد سیستم منجر می شوند. از این رو لازم است نحوه طراحی برد و مسیر کشی یا Routing سیگنال ها با دقت بیشتری مورد توجه قرار گیرد. از این میان عوامل تاثیر گذار در بازنگری نحوه طراحی سیستم های جدید می توان به موارد زیر اشاره کرد:
1- کاهش ابعاد المان های مدار و فاصله بین آنها
2- کاهش عرض مسیر سیگنالها و فاصله بین مسیرها
3- کاهش ولتاژ تغذیه سیستم و افزایش جریان آن
4- کاهش حاشیه نویز یا Noise margin
5-افزایش فرکانس و نرخ انتقال اطلاعات در سیتم های دیجیتال
6- المانهای سوئیچینگ با جریان بالا
7- تراشه هایی با تعداد پایه های ورودی-خروجی زیاد
با توجه به مطالب فوق، آگاهی و رعایت نکات لازم در طراحی برد به منظور حفظ کیفیت سیگنال هاريا، جلوگیری از تاثیر متقابل قسمت های مختلف یک سیستم، اثر سیستم های مختلف به روی یکدیگر و سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) Electromagnetic Compatibility ضروری به نظر می رسد به طوریکه عدم رعایت این نکات به عملکرد نامطلوب سیستم و طولانی شدن زمان عیب یابی آن منتهی می شود. یکی از مهمترین نکات در این زمینه آنست که مشکلات ایجاد شده در این خصوص ممکن است تکرار پذیر نبوده، در هنگام تست سیستم بروز نکند و پس از تولید سیستم و استفاده مصرف کننده در شرایط خاص محیطی یا الگوی خاصی از شکل موج ورودی سیستم اثر خود را نشان دهد. متاسفانه اغلب طراحان بدون آگاهی و رعایت این نکات به طراحی سیستم مبادرت می ورزند که همین امر باعث می شود که در فرایند عیب یابی و راه اندازی سیستم، با سوالات و نکات مبهم زیادی مواجهع شوند به همین دلیل آشنایی با برخی مفاهیم و به کارگیری آنها ضروری به نظر میرسد. با رعایت قیود لازم در طراحی برد هزینه و زمان اتمام آن کاهش یافته و لذا تولید به صرفه خواهد بود. اغلب طراحان دیجیتال، سیستم را در حوزه زمان و با توجه به پارامترهایی از قبیل زمان صعود سیگنال یا تاخیر انتشار توصیف می کنند در حالی که جهت تحلیل و بررسی بسیاری از پدیده ها در سیستم های آنالوگ از حوزه فرکانس استفاده می شود.
در نظر گرفتن پارامتهای جدید در طراحی سیستم:
اثر متقابل میدان های الکتریکی و مغناطیسی
کاهش ابعاد سیستم ها طراحان بردهای الکترونیکی را بر آن واداشته است که المان ها و مسیرسیگنال ها را در کمترین فاصله ممکن از یکدیگر قرار دهند که همین امر موجب شده است اثر متقابل میدان های الکتریکی و مغناطیسی تولید شده توسط اجزای مختلف مدار بیش از قبل مورد توجه قرار گیرد.
مسیرهای موجود به روی برد
اتصال بین المان های مختلف سیستم از مبدا تا مقصد توسط سیم، کابل یا مسیرهای موجود به روی برد برقرار می شود. در فرکانس های پایین می توان این مسیر ها را به صورت ایده آل در نظر گرفت. اما با افزایش فرکانس، خاصیت سلفی، خازنی، و مقاومتی مسیر اثر خود را نشان می دهد و لازم است در طراحی سیستم مورد توجه قرار گیرد زیرا امپدانس ایجاد شده توسط این المان ها به تضعیف سیگنال در فرکانس های بالا منتهی می شود.
زمان صعود-نزول سیگنال ها و شکل موج ها
شکل موج های واقعی بر خلاف حالت ایده آل دارای زمان صعود مشخصی می باشند و با توجه به آنکه مسیرهای اتصال دهنده المان های موجود به روی برد سیستم (track=trace) نیز دارای خاصیت سلفی هستند، ولتاژ ایجاد شده در دوسر آنها طبق رابطه V=L*di/dt محاسبه می شود، L بیانگر اندوکتانس مدار ، di مقدار تغییر جریان و dt زمان انجان این تغییر است که متناسب با زمان صعود یا نزول سیگنال می باشد. مقدار ولتاژ ایجاد شده نیز معیاری از میزان نویز سیستم می باشد، بنابراین مطابق با رابطه فوق با کاهش زمان صعود سیستم یا افزایش فرکانس ان، نویز ایجاد شده در سیستم افزایش می یابد. همچنین جریان دینامیک سیستم که توسط رابطه I=C dv/dt محاسبه می شود نیز بیشتر می شود.
اثرات سلفی و خازنی المان ها
به این ترتیب با افزایش فرکانس اثرات سلفی و خازنی المان های مدار که در فرکانس های پایین از آنها صرف نظر می شود، قابل چشم پوشی نمی باشد. پس مسیرهای اتصال دهنده المان ها به روی برد سیستم، به صورت مجموعه ای از سلف ها و خازن ها مدل سازی می شوند که این مدل، مدل خط انتقال نامیده می شود.
تنها فرکانس سیگنال ها عامل تعیین کننده نمی باشد
البته باید توجه داشت که بر خلاف تصور رایج، تنها فرکانس سیگنال ها عامل تعیین کننده نمی باشد بلکه زمان صعود و نزول سیگنال نیز معیار تصمیم گیری است. به عنوان مثال طراحی سیستمی با فرکانس کاری 100MHz و زمان صعود و نزول 2ns ساده تر از طراحی سیستمی مشابه با فرکانس 50MHz و زمان صعود 1ns می باشد.
مدل خط انتقال
در حالتی که ابعاد فیزیکی و طول مسیرهای برد، قابل مقایسه با طول موج بالاترین مولفه فرکانسی سیستم باشند نیز باید از مدل خط انتقال به منظور تحلیل سیستم استفاده شود. طول موج مطابق رابطه λ=c/f محاسبه می شود که در این رابطه، c سرعت انتشار سیگنال بر روی برد مدار چاپی است که با توجه به نوع ماده برابر نصف تا دوسوم سرعت انتشار موجود در خلا (3X10^8 m/s) می باشد و f بیانگر بالاترین مولفه فرکانسی سیستم است. به عنوان مثال اگر بیشترین مولفه فرکانسی برابر 1GHz باشد در آن صورت طول موج مدار برابر است با : λ=c/f=1.5X10^8/10^9=1.5cm
چندی از پرامترهای اثرگزار در فرکانس بالا عبارتند از:
اثر پوستی: با افزایش فرکانس، چگالی جریان منتشر شده در سطح هادی یا کابل در مقایسه با مرکز آن افزایش می یابد که این پدیده اثر پوسته (Skin Effect) نامیده می شود.
مقاومت سری متغیر با فرکانس: با دور شدن چگالی جریان از مرکز هادی (اثر پوستی) در اثر افزایش فرکانس ، مقاومت موثر هادی افزایش یافته، تلفات سیگنال را در پی خواهد داشت و به صورت یک مقاومت سری متغیر با فرکانس عمل می کند بنابراین لازم است تلفات ایجاد شده بر اثر وقوع این پدیده در طراحی سیستم های فرکانس بالا مورد توجه قرار گیرد.