لوحة الدوائر المطبوعة المشاكل والحلول الصعبة

س: كما ذكرنا سابقًا حول المقاومات البسيطة ، يجب أن يكون هناك بعض المقاومات التي يكون أداؤها هو بالضبط ما نتوقعه. ماذا يحدث لمقاومة مقطع من الأسلاك؟
ج: الوضع مختلف. من المفترض أنك تشير إلى سلك أو شريط موصل في لوحة دوائر مطبوعة تعمل كسلك. نظرًا لعدم توفر الموصلات الفائقة في درجة حرارة الغرفة بعد ، فإن أي طول من السلك المعدني يعمل كمقاوم منخفض المقاومة (يعمل أيضًا كمكثف ومحث) ، ويجب مراعاة تأثيره على الدائرة.
2. س: يجب ألا تكون مقاومة سلك نحاسي قصير جدًا في دائرة إشارة صغيرة مهمة؟
ج: دعنا نفكر في ADC 16 بت بمقاومة إدخال تبلغ 5k ω. افترض أن خط الإشارة إلى إدخال ADC يتكون من لوحة دائرة مطبوعة نموذجية (سمك 0.038 مم ، عرض 0.25 مم) مع شريط موصل بطول 10 سم. تبلغ المقاومة حوالي 0.18 ω في درجة حرارة الغرفة ، وهو أقل بقليل من 5K ω × 2 × 2-16 وينتج خطأ كسب قدره 2LSB بدرجة كاملة.
يمكن القول إن هذه المشكلة يمكن تخفيفها إذا كان النطاق الموصل للوحة الدائرة المطبوعة أوسع. في الدوائر التناظرية ، يُفضل عمومًا استخدام نطاق أوسع ، لكن العديد من مصممي ثنائي الفينيل متعدد الكلور (ومصممي ثنائي الفينيل متعدد الكلور) يفضلون استخدام حد أدنى لعرض النطاق لتسهيل وضع خط الإشارة. في الختام ، من المهم حساب مقاومة النطاق الموصّل وتحليل دوره في جميع المشاكل الممكنة.
3. س: هل توجد مشكلة في سعة النطاق الموصل ذي العرض الكبير جدًا والطبقة المعدنية على الجزء الخلفي من لوحة الدوائر المطبوعة؟
ج: إنه سؤال صغير. على الرغم من أهمية السعة من النطاق الموصل للوحة الدائرة المطبوعة (حتى بالنسبة للدوائر منخفضة التردد ، والتي يمكن أن تنتج تذبذبات طفيلية عالية التردد) ، يجب دائمًا تقديرها أولاً. إذا لم يكن الأمر كذلك ، فحتى النطاق الواسع الموصل الذي يشكل سعة كبيرة لا يمثل مشكلة. في حالة ظهور مشاكل ، يمكن إزالة مساحة صغيرة من مستوى الأرض لتقليل السعة إلى الأرض.
س: اترك هذا السؤال للحظة! ما هو مستوى التأريض؟
ج: إذا تم استخدام رقائق نحاسية على الجانب الكامل من لوحة الدوائر المطبوعة (أو الطبقة البينية الكاملة للوحة الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات) للتأريض ، فهذا ما نسميه طائرة التأريض. يجب ترتيب أي سلك أرضي بأصغر مقاومة ومحاثة ممكنة. إذا كان النظام يستخدم مستوى التأريض ، فمن غير المرجح أن يتأثر بضوضاء التأريض. بالإضافة إلى ذلك ، فإن مستوى التأريض لديه أيضًا وظيفة الحماية والتبريد
س: طائرة التأريض المذكورة هنا صعبة على الشركات المصنعة ، أليس كذلك؟
ج: كانت هناك بعض المشاكل قبل عشرين عاما. اليوم ، بسبب تحسين الموثق ، ومقاومة اللحام وتكنولوجيا اللحام الموجي في لوحات الدوائر المطبوعة ، أصبح تصنيع طائرة التأريض عملية روتينية للوحات الدوائر المطبوعة.
س: قلت إن احتمال تعريض نظام ما للضوضاء الأرضية باستخدام مستوى أرضي ضئيل للغاية. ما الذي تبقى من مشكلة ضوضاء الأرض التي لا يمكن حلها؟
ج: الدائرة الأساسية لنظام ضوضاء مؤرض لها مستوى أرضي ، لكن مقاومتها وتحريضها ليسا صفراً – إذا كان مصدر التيار الخارجي قويًا بدرجة كافية ، فسيؤثر على الإشارات الدقيقة. يمكن التقليل من هذه المشكلة عن طريق الترتيب الصحيح للوحات الدوائر المطبوعة بحيث لا يتدفق التيار العالي إلى المناطق التي تؤثر على جهد التأريض لإشارات الدقة. في بعض الأحيان ، يمكن للكسر أو الشق في مستوى الأرض تحويل تيار تأريض كبير من المنطقة الحساسة ، ولكن تغيير مستوى الأرض بالقوة يمكن أيضًا أن يحول الإشارة إلى المنطقة الحساسة ، لذلك يجب استخدام هذه التقنية بحذر.
س: كيف أعرف انخفاض الجهد المتولد على مستوى مؤرض؟
ج: عادة ما يمكن قياس انخفاض الجهد ، ولكن في بعض الأحيان يمكن إجراء الحسابات بناءً على مقاومة المادة في مستوى التأريض (1 أوقية اسمية من النحاس لها مقاومة 0-45 م ω / □) وطول نطاق موصل يمر من خلاله التيار ، على الرغم من أن الحسابات يمكن أن تكون معقدة. يمكن قياس الفولتية في نطاق التيار المستمر إلى نطاق التردد المنخفض (50 كيلو هرتز) باستخدام مكبرات الصوت مثل AMP02 أو AD620.
تم ضبط كسب مكبر الصوت على 1000 وتم توصيله بمؤشر الذبذبات بحساسية 5mV / div. يمكن تزويد مكبر الصوت من نفس مصدر الطاقة مثل الدائرة قيد الاختبار ، أو من مصدر الطاقة الخاص به. ومع ذلك ، إذا تم فصل أرض مكبر الصوت عن قاعدة الطاقة الخاصة به ، فيجب توصيل راسم الذبذبات بقاعدة الطاقة الخاصة بدائرة الطاقة المستخدمة.
يمكن قياس المقاومة بين أي نقطتين على مستوى الأرض عن طريق إضافة مسبار إلى النقطتين. يتيح الجمع بين كسب مكبر الصوت وحساسية راسم الذبذبات أن تصل حساسية القياس إلى 5μV / div. ستؤدي الضوضاء الصادرة عن مكبر الصوت إلى زيادة عرض منحنى شكل موجة الذبذبات بحوالي 3μV ، ولكن لا يزال من الممكن تحقيق دقة تبلغ حوالي 1μV – وهو ما يكفي لتمييز معظم ضوضاء الأرض بثقة تصل إلى 80٪.
س: ما الذي يجب ملاحظته حول طريقة الاختبار أعلاه؟
ج: أي مجال مغناطيسي متناوب سيحدث جهدًا على مقدمة المسبار ، والذي يمكن اختباره عن طريق قصر دائرة المجسات لبعضها البعض (وتوفير مسار انحراف لمقاومة الأرض) ومراقبة شكل موجة راسم الذبذبات. شكل موجة التيار المتردد المرصود ناتج عن الحث ويمكن تصغيره عن طريق تغيير موضع الرصاص أو بمحاولة القضاء على المجال المغناطيسي. بالإضافة إلى ذلك ، من الضروري التأكد من أن تأريض مكبر الصوت متصل بتأريض النظام. إذا كان مكبر الصوت لديه هذا الاتصال ، فلن يكون هناك مسار عودة انحراف ولن يعمل مكبر الصوت. يجب أن يضمن التأريض أيضًا أن طريقة التأريض المستخدمة لا تتداخل مع التوزيع الحالي للدائرة قيد الاختبار.
س: كيف تقيس ضوضاء التأريض عالية التردد؟
ج: من الصعب قياس ضوضاء الأرض hf بمضخم أجهزة عريض النطاق مناسب ، لذا فإن المجسات المنفعلة hf و VHF مناسبة. يتكون من حلقة مغناطيسية من الفريت (قطر خارجي من 6 ~ 8 مم) مع ملفين من 6 ~ 10 لفات لكل منهما. لتشكيل محول عزل عالي التردد ، يتم توصيل ملف واحد بمدخل محلل الطيف والآخر بالمسبار.
طريقة الاختبار مماثلة لحالة التردد المنخفض ، لكن محلل الطيف يستخدم منحنيات خصائص تردد الاتساع لتمثيل الضوضاء. على عكس خصائص المجال الزمني ، يمكن تمييز مصادر الضوضاء بسهولة بناءً على خصائص ترددها. بالإضافة إلى ذلك ، فإن حساسية محلل الطيف أعلى بـ 60 ديسيبل على الأقل من حساسية راسم التذبذب عريض النطاق.
س: وماذا عن محاثة السلك؟
ج: لا يمكن تجاهل محاثة الموصلات ونطاقات توصيل ثنائي الفينيل متعدد الكلور عند الترددات الأعلى. من أجل حساب محاثة سلك مستقيم ونطاق موصل ، يتم هنا إدخال تقريبين.
على سبيل المثال ، سيشكل نطاق موصل يبلغ طوله 1 سم وعرضه 0.25 مم محاثًا قدره 10nH.
محاثة الموصل = 0.0002LLN2LR-0.75 μH
على سبيل المثال ، الحث لسلك بقطر خارجي يبلغ طوله 1 سم 0.5 مم هو 7.26nh (2R = 0.5mm ، L = 1cm)
محاثة النطاق الموصلة = 0.0002LLN2LW + H + 0.2235W + HL + 0.5μH
على سبيل المثال ، الحث للفرقة الموصلة للوحة الدائرة المطبوعة بعرض 1 سم 0.25 مم هو 9.59nh (H = 0.038mm ، W = 0.25mm ، L = 1cm).
ومع ذلك ، فإن التفاعل الاستقرائي عادة ما يكون أصغر بكثير من التدفق الطفيلي والجهد المستحث للدائرة الاستقرائية المقطوعة. يجب تصغير منطقة الحلقة لأن الجهد المستحث يتناسب مع منطقة الحلقة. من السهل القيام بذلك عندما يكون الأسلاك ملتوية.
في لوحات الدوائر المطبوعة ، يجب أن يكون مسار الرصاص والعودة قريبين من بعضهما البعض. غالبًا ما تقلل التغييرات الصغيرة في الأسلاك من التأثير ، انظر المصدر أ المقترن بحلقة الطاقة المنخفضة ب.
سيؤدي تقليل منطقة الحلقة أو زيادة المسافة بين حلقات التوصيل إلى تقليل التأثير. عادة ما يتم تقليل منطقة الحلقة إلى الحد الأدنى ويتم تكبير المسافة بين حلقات التوصيل إلى أقصى حد. في بعض الأحيان ، تكون الحماية المغناطيسية مطلوبة ، ولكنها باهظة الثمن وعرضة للعطل الميكانيكي ، لذا تجنبها.
11. س: في سؤال وجواب لمهندسي التطبيقات ، غالبًا ما يتم ذكر السلوك غير المثالي للدوائر المتكاملة. يجب أن يكون من الأسهل استخدام المكونات البسيطة مثل المقاومات. اشرح قرب المكونات المثالية.
ج: أريد فقط أن يكون المقاوم جهازًا مثاليًا ، لكن الأسطوانة القصيرة الموجودة في مقدمة المقاوم تعمل تمامًا مثل المقاوم الصافي. يحتوي المقاوم الفعلي أيضًا على مكون المقاومة التخيلي – مكون التفاعل. معظم المقاومات لها سعة صغيرة (عادة من 1 إلى 3 بيكو فاراد) بالتوازي مع مقاومتها. على الرغم من أن بعض مقاومات الأفلام ، فإن قطع الأخدود الحلزوني في أفلامها المقاومة يكون في الغالب استقرائيًا ، إلا أن تفاعلها الاستقرائي هو عشرات أو مئات من nahen (nH). بطبيعة الحال ، فإن مقاومة جرح السلك تكون بشكل عام استقرائية وليست سعوية (على الأقل عند الترددات المنخفضة). بعد كل شيء ، المقاومات ذات الجرح السلكي مصنوعة من لفائف ، لذلك ليس من غير المألوف أن يكون للمقاومات ذات الجرح السلكي محاثات من عدة ميكرو أوم (μH) أو عشرات الميكرومتر ، أو حتى ما يسمى بالمقاومات السلكية ذات الجرح السلكي “غير الحثية” (حيث يتم لف نصف الملفات في اتجاه عقارب الساعة والنصف الآخر عكس اتجاه عقارب الساعة). بحيث يلغي الحث الناتج عن نصفي الملف بعضهما البعض) يحتوي أيضًا على 1μH أو أكثر من الحث المتبقي. بالنسبة للمقاومات ذات الجرح السلكي عالية القيمة التي تزيد عن 10 كيلو أوم تقريبًا ، تكون المقاومات المتبقية في الغالب سعوية وليست حثية ، وتصل السعة إلى 10pF ، أعلى من المقاومات الرقيقة القياسية أو المقاومات الاصطناعية. يجب مراعاة هذا التفاعل بعناية عند تصميم دارات عالية التردد تحتوي على مقاومات.
س: لكن العديد من الدوائر التي تصفها تُستخدم للقياسات الدقيقة في التيار المستمر أو الترددات المنخفضة جدًا. المحاثات الشاردة والمكثفات الشاردة ليست ذات صلة بهذه التطبيقات ، أليس كذلك؟
ج: نعم. نظرًا لأن الترانزستورات (المنفصلة وداخل الدوائر المتكاملة) لها عرض نطاق واسع جدًا ، يمكن أن تحدث التذبذبات أحيانًا في مئات أو آلاف نطاقات ميغا هرتز عندما تنتهي الدائرة بحمل استقرائي. إجراءات الإزاحة والتصحيح المرتبطة بالذبذبات لها آثار سيئة على دقة التردد المنخفض والاستقرار.
والأسوأ من ذلك ، قد لا تكون التذبذبات مرئية على راسم الذبذبات إما لأن عرض النطاق الترددي للذبذبات منخفض جدًا مقارنةً بعرض النطاق الترددي للتذبذبات عالية التردد التي يتم قياسها ، أو لأن سعة شحن مسبار راسم الذبذبات كافية لإيقاف التذبذبات. أفضل طريقة هي استخدام محلل طيف واسع النطاق (تردد منخفض إلى 1-5 جيجاهرتز أعلاه) لفحص النظام بحثًا عن التذبذبات الطفيلية. يجب إجراء هذا الفحص عندما يتغير المدخلات عبر النطاق الديناميكي بأكمله ، لأن التذبذبات الطفيلية تحدث أحيانًا في نطاق ضيق جدًا من نطاق الإدخال.
س: هل هناك أسئلة عن المقاومات؟
ج: مقاومة المقاوم ليست ثابتة ، ولكنها تختلف باختلاف درجة الحرارة. معامل درجة الحرارة (TC) يختلف من بضعة جزء في المليون / درجة مئوية (المليون لكل درجة مئوية) إلى عدة آلاف جزء في المليون / درجة مئوية. أكثر المقاومات ثباتًا هي مقاومات السلك أو مقاومات الأغشية المعدنية ، والأسوأ هي مقاومات الأغشية الكربونية الاصطناعية.
يمكن أن تكون معاملات درجة الحرارة الكبيرة مفيدة في بعض الأحيان (يمكن استخدام مقاوم + 3500 جزء في المليون / درجة مئوية للتعويض عن kT / Q في معادلة خاصية الصمام الثنائي للوصلة ، كما هو مذكور سابقًا في Q&AS لمهندسي التطبيقات). ولكن بشكل عام ، يمكن أن تكون المقاومة مع درجة الحرارة مصدرًا للخطأ في الدوائر الدقيقة.
إذا كانت دقة الدائرة تعتمد على تطابق مقاومين مع معاملات درجة حرارة مختلفة ، فبغض النظر عن مدى توافقها عند درجة حرارة واحدة ، فلن تتطابق مع الأخرى. حتى إذا كانت معاملات درجة الحرارة لمقاومين متطابقتين ، فليس هناك ما يضمن بقائهما عند نفس درجة الحرارة. يمكن أن تتسبب الحرارة الذاتية الناتجة عن استهلاك الطاقة الداخلي أو الحرارة الخارجية المنقولة من مصدر حرارة في النظام في عدم تطابق درجة الحرارة ، مما ينتج عنه مقاومة. حتى المقاومات عالية الجودة ذات لفائف الأسلاك أو الأغشية المعدنية يمكن أن تحتوي على درجات حرارة غير متطابقة تصل إلى مئات (أو حتى آلاف) جزء في المليون /. الحل الواضح هو استخدام مقاومين مصممين بحيث يكون كلاهما قريبًا جدًا من نفس المصفوفة ، بحيث يتم مطابقة دقة النظام جيدًا في جميع الأوقات. يمكن أن تكون الركيزة عبارة عن رقاقات سيليكون تحاكي دوائر متكاملة دقيقة أو رقائق زجاجية أو أغشية معدنية. بغض النظر عن الطبقة السفلية ، فإن المقاومين يتطابقان جيدًا أثناء التصنيع ، ولهما معاملات درجة حرارة متطابقة جيدًا ، وهما تقريبًا بنفس درجة الحرارة (لأنهما قريبان جدًا).