การออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์ในปัจจุบันมีการใช้เครื่องมือต่างๆมาช่วยในวิเคราะห์สัญญาณไฟฟ้าที่เข้ามายังวงจรและคำนวนผลลัพธ์ที่ต้องการ อย่างไรก็ตามเมื่อทำการต่อวงจรออิเล็กทรอนิกส์โดยการนำเอาส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ มาเชื่อมเข้ากับบอร์ด ไม่ว่าจะประกอบไปด้วยกี่จำนวนชั้นของเลเยอร์ จะต้องมีการคำนึงถึงคุณภาพของสัญญาณ (Signal Quality) ทั้งทางสัญญาณอินพุต (Input) และสัญญาณเอาต์พุต (Output)  ซึ่งในการจะได้ผลลัพธ์ออกมาได้เท่าตามที่ต้องการนั้นจะต้องมีการนำเอาหัวข้อที่สำคัญดังต่อไปนี้มาวิเคราะห์ คือ Signal Integrity (SI) หรืออาจจะเรียกว่า ความสมบูรณ์ของสัญญาณ และในวงจรที่มีความถี่สูงนั้นจะต้องมีการออกแบบและคัดเลือกอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีคุณสมบัติที่ดีและเหมาะสมกับวงจรมาใช้ จนในที่สุดสามารถทำให้ได้รับสัญญาณที่มีคุณภาพและตามวัตถุประสงค์ของการใช้งานต่อไป

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบ Passive มีอะไรบ้าง

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพาสซีพ มีหน้าที่ในการรับพลังงานหรือสัญญาณจากตัวส่ง จากนั้นถ่ายทอดไปยังส่วนอื่นๆ โดยไม่มีการขยายสัญญาณและมีพลังงานเลี้ยงในตัวเอง เราเรียกว่า อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบ Passive ซึ่งประกอบไปด้วย ตัวต้านทาน (Resistor) ตัวคปาซิเตอร์ (Capacitor) และตัวอินดักเตอร์ (Inductor)  ซึ่งมีหน้าที่และคุณลักษณะเฉพาะดังต่อไปนี้

- ตัวต้านทาน มีหน้าที่ในการควบคุมปริมาณแรงดันหรือกระแสไฟฟ้าภายในวงจร

- ตัวคาปาซิเตอร์ มีหน้าที่ในการเป็นตัวเก็บประจุไฟฟ้า

- ตัวอินดักเตอร์ มีหน้าที่ในการเหนี่ยวนำไฟฟ้าในรูปแบบสนามแม่เหล็ก เพื่อส่งไปยังอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ส่วนอื่น แต่ไม่สามารถสร้างไฟฟ้าได้ด้วยตัวของมันเองได้

จากหน้าที่ของแต่ละอุปกรณ์เหล่านี้ จึงสามารถกล่าวโดยสรุปถึง ความสามารถของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบ Passive คือมีหน้าที่ในการส่งต่อหรือถ่ายถอดพลังงานไฟฟ้าไปยังส่วนอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องและมีความสามารถในการปรับเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าไปในรูปแบบอื่นๆได้ เช่น ความร้อนหรือลดระดับปริมาณแรงดัน รวมทั้งกระแสไฟฟ้า เป็นต้น นอกจากนี้คือ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบ Passive ไม่ต้องใช้พลังงานไฟฟ้าในการทำงานเพราะมีหน้าที่ในการรับแล้วส่งผ่านพลังงานตามคุณสมบัติของตัวเองเท่านั้น  ซึ่งในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีวงจรความเร็วสูงนั้น จะต้องมีการใช้งานอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบ Passive  และ RLC เป็นจำนวนมาก ดังเช่น วงรในการสื่อสารแบบดิจิตอล การสื่อสารดาวเทียมหรือการสื่อสารทางการทหารที่ต้องใช้ความเร็วสูง

Signal Integrity

ในการจะได้สัญญานที่มีคุณภาพออกมานั้น สิ่งที่เราต้องพิจารณาอย่างละเอียดนั้น คือ ความสมบูรณ์ของสัญญาณ (Signal Integrity: SI) ซึ่งคุณภาพของสัญญาณที่จะได้ออกมานั้นขึ้นอยู่กับค่าความสามารถของ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบ Passive เช่นกัน กล่าวคือ จะต้องมีการเลือกใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อย่างเหมาะสมเพื่อไม่ให้เกิดการรบกวนกันของสัญญาณ หรือทำให้สัญญาณที่เป็นข้อมูลจริงๆนั้นหายไป จนนำไปสู่ความล้มเหลวของอุปกรณ์ต่างๆ  ในการจะวิเคราะห์ดูคุณลักษณะของสัญญาณนั้น จะพิจารณาจาก EYE Diagram ว่ามีลักษณะอย่างไร มีการสัญญาณรบกวนหรือไม่ และสามารถแก้ไขอย่างไรได้บ้าง ซึ่งมีปัจจัยที่เกี่ยวข้องดังนี้  Impedance Mismatches, Power Integrity, Decoupling Capacitors  เป็นต้น

ผลกระทบจากปัญหาของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบ Passive ต่อแผงวงจรความเร็วสูง

- ค่าความต้านทานหรือ Impedance ไม่เป็นไปตามเกณฑ์  

ในกรณีนี้จะทำให้สัญญาณที่ได้ไม่มีคุณภาพ บิดเบี้ยว เกิด Noise ขึ้น ด้วยเหตุจากการที่ค่า impedance  ไม่สมดุลกัน (Mismatch) และทำให้มีการสะท้อนกลับของสัญญาณ สาเหตุอาจจะเกิดทั้งตามธรรมชาติและความผิดพลาดของมนุษย์  ไม่ว่าจะเป็นความชื้น หรือความผิดพลาดในกรรมวิธีผลิตตัวต้านทานจากโรงงาน

- เกิดค่าคาปาซิเตอร์ย่อยที่ไม่ต้องการ

ค่าคาปาซิแทนซ์นี้จะทำให้เกิดปัญหาต่อวงจรที่มีความซับซ้อนและมีความเร็วสูง  เพราะเมื่อทำการวัดค่า จะทำให้ได้ค่าคาปาซิแทนซ์ที่ไม่ตรงหรือมี error เกิดขึ้น ซึ่งค่า Error เหล่านี้จะทำหน้าที่เสมือน ตัวกรองสำหรับความถี่สูง (High-Passs Filter) จนในที่สุดทำให้แบนวิดมีขนาดเล็กลง รวมไปถึงการเกิดการกวนกันของสัญญาณในลักษณะ Crosstalk  เมื่อ 2 สัญญาณเดินทางควรจะเดินทางมาคู่กัน แต่อีกเส้นนึงของสัญญาณเกิดได้การ Coupling ของสัญญาณ

- การลดลงของแรงดันไฟฟ้า

กล่าวคือ เมื่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบ Passive เกิดปัญหาต่างๆไม่ว่าจะเป็น การสะท้อนกลับของสัญญาณจากการ Mismatch การกวนกันของสัญญาณ Crosstalk  การรั่วของตัวต้านทาน ตลอดจนความชื้น จะทำให้แรงดันไฟฟ้าลดลง และค่า SNR (Signal to Noise Ratio) ต่ำกว่าที่ควรจะเป็น จนในที่สุดไม่สามารถวัดสัญญาณเอาต์พุตออกมาได้

นอกจากนี้ยังทำให้เกิดปัญหาต่างๆ อาทิ เช่น การเกิดข้อผิดพลาดจากกระบวนการ Sampling  การลดทอนของขนาดของสัญญาณ (Attenuation) การเกิดสัญญาณที่ไม่ต้องการ (Spike)  และความไม่เสถียรของแรงดันไฟฟ้า และผลรวมของการกวนกันของสัญญาณอย่าง (Electromagnetic Interference: EMI) เป็นต้น

‍