Печатна платка трудни проблеми и решения

В: Както бе споменато по -рано за прости резистори, трябва да има някои резистори, чието представяне е точно това, което очакваме. Какво се случва със съпротивлението на участък от тел?
О: Ситуацията е различна. Предполага се, че имате предвид проводник или проводима лента в печатна платка, която действа като проводник. Тъй като свръхпроводниците със стайна температура все още не са налични, всяка дължина от метален проводник действа като резистор с ниско съпротивление (който също действа като кондензатор и индуктор) и трябва да се вземе предвид неговият ефект върху веригата.
2. В: Съпротивлението на много къс меден проводник в малка сигнална верига не трябва да е важно?
О: нека разгледаме 16-битов ADC с входен импеданс 5k ω. Да приемем, че сигналната линия към ADC входа се състои от типична печатна платка (дебелина 0.038 мм, широчина 0.25 мм) с проводима лента с дължина 10 см. Той има съпротивление от около 0.18 ω при стайна температура, което е малко по-малко от 5K ω × 2 × 2-16 и генерира грешка на усилване от 2LSB при пълна степен.
Може би този проблем може да бъде смекчен, ако, както вече е, проводимата лента на печатната платка е разширена. В аналоговите схеми обикновено е за предпочитане да се използва по -широка лента, но много дизайнери на печатни платки (и дизайнери на печатни платки) предпочитат да използват минимална ширина на лентата, за да улеснят поставянето на сигналната линия. В заключение е важно да се изчисли съпротивлението на проводимата лента и да се анализира нейната роля при всички възможни проблеми.
3. В: Има ли проблем с капацитета на проводимата лента с твърде голяма ширина и металния слой на гърба на ПЕЧАТНАТА платка?
О: Това е малък въпрос. Въпреки че капацитетът от проводимата лента на печатната платка е важен (дори за нискочестотни схеми, които могат да произвеждат високочестотни паразитни трептения), той винаги трябва първо да бъде оценен. Ако това не е така, дори широка проводима лента, образуваща голям капацитет, не е проблем. Ако възникнат проблеми, малка площ от равнината на земята може да бъде премахната, за да се намали капацитетът към земята.
В: Оставете този въпрос за момент! Какво представлява равнината на заземяване?
О: Ако медно фолио от цялата страна на ПЕЧАТНА платка (или целия междинен слой на многослойна печатна платка) се използва за заземяване, тогава това наричаме равнина на заземяване. Всеки заземен проводник трябва да бъде подреден с възможно най -малкото съпротивление и индуктивност. Ако системата използва равнина за заземяване, е по -малко вероятно да бъде засегната от шума от заземяването. Освен това заземяващата равнина има и функция на екраниране и охлаждане
В: Самолетът за заземяване, споменат тук, е труден за производителите, нали?
О: Преди 20 години имаше някои проблеми. Днес, поради подобряването на свързващото вещество, съпротивлението на запояване и технологията за запояване на вълни в печатни платки, производството на заземителна равнина се превърна в рутинна операция на печатни платки.
Въпрос: Казахте, че възможността за излагане на система на земния шум чрез използване на заземяваща равнина е много малка. Какво остава от проблема със земния шум, който не може да бъде решен?
О: Основната верига на заземена шумова система има заземена равнина, но нейното съпротивление и индуктивност не са нула – ако външният източник на ток е достатъчно силен, това ще повлияе на прецизните сигнали. Този проблем може да бъде сведен до минимум чрез правилно подреждане на печатните платки, така че високият ток да не тече в области, които влияят на заземяващото напрежение на прецизните сигнали. Понякога прекъсването или цепнатината в заземяващата равнина може да отклони голям ток на заземяване от чувствителната зона, но принудителната смяна на заземяващата равнина също може да отклони сигнала в чувствителната зона, така че такава техника трябва да се използва внимателно.
В: Как да разбера спада на напрежението, генерирано на заземена равнина?
О: Обикновено спадът на напрежението може да бъде измерен, но понякога може да се направят изчисления въз основа на съпротивлението на материала в заземителната равнина (номинална медна медна мед 1 има съпротивление 045m ω /□) и дължината на проводима лента, през която преминава токът, въпреки че изчисленията могат да бъдат сложни. Напреженията в постоянен ток до нискочестотен диапазон (50 kHz) могат да бъдат измерени с инструментални усилватели като AMP02 или AD620.
Усилването на усилвателя е зададено на 1000 и е свързано към осцилоскоп с чувствителност 5mV/div. Усилвателят може да се захранва от същия източник на захранване като изпитваната верига или от собствен източник на захранване. Въпреки това, ако масата на усилвателя е отделена от захранващата му база, осцилоскопът трябва да бъде свързан към захранващата база на използваната захранваща верига.
Съпротивлението между всякакви две точки на равнината на земята може да бъде измерено чрез добавяне на сонда към двете точки. Комбинацията от усилване на усилвателя и чувствителност на осцилоскоп позволява чувствителността на измерването да достигне 5μV/div. Шумът от усилвателя ще увеличи ширината на кривата на вълната на осцилоскопа с около 3μV, но все пак е възможно да се постигне разделителна способност от около 1μV – достатъчно, за да се различи повечето шум на земята с до 80% увереност.
В: Какво трябва да се отбележи при горния метод на изпитване?
О: Всяко променливо магнитно поле ще предизвика напрежение върху проводника на сондата, което може да бъде тествано чрез късо съединение на сондите помежду си (и осигуряване на отклонителен път към съпротивлението на земята) и наблюдение на формата на осцилоскопа. Наблюдаваната променлива форма на вълната се дължи на индукция и може да бъде сведена до минимум чрез промяна на положението на проводника или чрез опит за премахване на магнитното поле. Освен това е необходимо да се гарантира, че заземяването на усилвателя е свързано със заземяването на системата. Ако усилвателят има тази връзка, няма обратен път на отклонение и усилвателят няма да работи. Заземяването трябва също така да гарантира, че използваният метод на заземяване не пречи на разпределението на тока на изпитваната верига.
Въпрос: Как да се измери високочестотният шум от заземяването?
О: Трудно е да се измери шума на земята с подходящ широколентов инструментален усилвател, така че пасивните сонди hf и VHF са подходящи. Състои се от феритен магнитен пръстен (външен диаметър 6 ~ 8 мм) с две намотки с по 6 ~ 10 завъртания всяка. За да се образува високочестотен изолационен трансформатор, една бобина е свързана към входа на анализатора на спектъра, а другата към сондата.
Методът на изпитване е подобен на случая с ниска честота, но спектроанализаторът използва амплитудно-честотни характеристични криви за представяне на шума. За разлика от свойствата във времевата област, източниците на шум могат лесно да бъдат разграничени въз основа на техните честотни характеристики. В допълнение, чувствителността на анализатора на спектъра е поне 60dB по -висока от тази на широколентовия осцилоскоп.
В: Какво ще кажете за индуктивността на проводник?
О: Индуктивността на проводниците и проводимите ленти на печатни платки не може да се пренебрегне при по -високи честоти. За да се изчисли индуктивността на прав проводник и проводима лента, тук се въвеждат две приближения.
Например, проводима лента с дължина 1 cm и ширина 0.25 mm ще формира индуктивност от 10 nH.
Индуктивност на проводника = 0.0002LLN2LR-0.75 μH
Например, индуктивността на 1 см дълъг проводник с външен диаметър 0.5 мм е 7.26 nh (2R = 0.5 мм, L = 1 см)
Индуктивност на проводимата лента = 0.0002LLN2LW+H+0.2235W+HL+0.5 μH
Например, индуктивността на проводниковата лента на печатната платка с широчина 1 cm с ширина 0.25 mm е 9.59 nh (H = 0.038 mm, W = 0.25 mm, L = 1 cm).
Индуктивното съпротивление обаче обикновено е много по -малко от паразитния поток и индуцираното напрежение на прекъснатата индуктивна верига. Зоната на контура трябва да бъде сведена до минимум, тъй като индуцираното напрежение е пропорционално на зоната на контура. Това е лесно да се направи, когато окабеляването е усукана двойка.
В печатните платки пътищата за отвеждане и връщане трябва да са близо един до друг. Малките промени в окабеляването често свеждат до минимум въздействието, вижте източник А, свързан с ниско енергиен контур В.
Намаляването на площта на контура или увеличаването на разстоянието между прикачните контури ще намали ефекта. Площта на контура обикновено се намалява до минимум и разстоянието между прикачните контури се увеличава максимално. Понякога се изисква магнитно екраниране, но е скъпо и е склонно към механични повреди, така че го избягвайте.
11. В: В Въпроси и отговори за инженери по приложения често се споменава неидеалното поведение на интегралните схеми. Трябва да е по -лесно да се използват прости компоненти като резистори. Обяснете близостта на идеалните компоненти.
О: Просто искам резисторът да бъде идеално устройство, но късият цилиндър в началото на резистора действа точно като чист резистор. Действителният резистор също съдържа въображаемия компонент на съпротивлението – компонента на реактивността. Повечето резистори имат малък капацитет (обикновено 1 до 3pF) паралелно с тяхното съпротивление. Въпреки че някои филмови резистори, изрязването на спирални канали в техните резистивни филми е предимно индуктивно, тяхното индуктивно съпротивление е десетки или стотици нахен (nH). Разбира се, съпротивленията при навиване на проводници обикновено са индуктивни, а не капацитивни (поне при ниски честоти). В края на краищата, резисторите с навита жица са направени от намотки, така че не е необичайно резисторите с навита жица да имат индуктивност от няколко microhm (μH) или десетки microhm или дори така наречените „неиндуктивни“ резистори с навита тел (където половината намотки са навити по посока на часовниковата стрелка, а другата половина обратно на часовниковата стрелка). Така че индуктивността, произведена от двете половини на бобината, се отменя взаимно) също има 1μH или повече остатъчна индуктивност. За висококачествени жични резистори над приблизително 10k ω, останалите резистори са предимно капацитивни, а не индуктивни, а капацитетът е до 10pF, по-висок от този на стандартните тънкослойни или синтетични резистори. Това реактивно съпротивление трябва внимателно да се вземе предвид при проектирането на високочестотни схеми, съдържащи резистори.
В: Но много от схемите, които описвате, се използват за прецизни измервания при DC или много ниски честоти. Бездомните индуктори и бездомните кондензатори са без значение в тези приложения, нали?
О: да. Тъй като транзисторите (както дискретни, така и в рамките на интегрални схеми) имат много широки ленти, понякога могат да възникнат трептения в стотиците или хилядите мегахерцови ленти, когато веригата завърши с индуктивен товар. Действията за компенсиране и коригиране, свързани с трептенията, имат лошо въздействие върху нискочестотната точност и стабилност.
По -лошото е, че трептенията може да не се виждат на осцилоскоп, тъй като честотната лента на осцилоскопа е твърде ниска в сравнение с честотната лента на високочестотните трептения, които се измерват, или защото капацитетът на заряда на сондата на осцилоскопа е достатъчен за спиране на трептенията. Най -добрият метод е да използвате широколентов (нискочестотен до 15GHz горе) спектроанализатор, за да проверите системата за паразитни трептения. Тази проверка трябва да се направи, когато входът варира в целия динамичен диапазон, тъй като паразитните трептения понякога се появяват в много тесен диапазон на входната лента.
Въпрос: Има ли въпроси относно резисторите?
О: Съпротивлението на резистора не е фиксирано, но варира в зависимост от температурата. Температурният коефициент (TC) варира от няколко PPM /° C (милионни части на градус по Целзий) до няколко хиляди PPM /° C. Най -стабилните резистори са резистори с навита тел или метален филм, а най -лошите са резистори от синтетичен въглероден филм.
Големите температурни коефициенти понякога могат да бъдат полезни (резистор +3500ppm/ ° C може да се използва за компенсиране на kT/ Q в характеристичното уравнение на диода на кръстовището, както бе споменато по -горе в Q&AS за инженери по приложения). Но като цяло съпротивлението с температура може да бъде източник на грешки в прецизните схеми.
Ако точността на веригата зависи от съвпадението на два резистора с различни температурни коефициенти, тогава колкото и добре да се съчетаят при една температура, тя няма да съвпадне при другата. Дори ако температурните коефициенти на два резистора съвпадат, няма гаранция, че те ще останат при същата температура. Самостоятелната топлина, генерирана от вътрешна консумация на енергия или външна топлина, предавана от източник на топлина в системата, може да причини температурни разминавания, което води до съпротивление. Дори висококачествените резистори с навита тел или метален филм могат да имат температурни несъответствия от стотици (или дори хиляди) PPM / ℃. Очевидното решение е да се използват два резистора, изградени така, че и двата да са много близо до една и съща матрица, така че точността на системата да се съчетава добре по всяко време. Субстратът може да бъде силиконови пластини, които симулират прецизни интегрални схеми, стъклени пластини или метални филми. Независимо от основата, двата резистора съвпадат добре по време на производството, имат добре съвпадащи температурни коефициенти и са на почти еднаква температура (тъй като са толкова близки).