Štampana ploča teških problema i rješenja

P: Kao što je ranije spomenuto o jednostavnim otpornicima, mora postojati neki otpornik čije performanse su upravo ono što očekujemo. Što se događa s otporom dijela žice?
O: Situacija je drugačija. Vjerojatno mislite na žicu ili vodljivi pojas na tiskanoj ploči koji djeluje kao žica. Budući da supravodiči sobne temperature još uvijek nisu dostupni, bilo koja duljina metalne žice djeluje kao otpornik niskog otpora (koji također djeluje i kao kondenzator i induktor), pa se mora uzeti u obzir njezin utjecaj na krug.
2. P: Otpor vrlo kratke bakrene žice u malom signalnom krugu ne smije biti važan?
O: Razmotrimo 16-bitni ADC sa ulaznom impedansom 5k ω. Pretpostavimo da se signalni vod do ADC ulaza sastoji od tipične štampane ploče (debljine 0.038 mm, širine 0.25 mm) sa provodljivim pojasom od 10 cm. Ima otpor od oko 0.18 ω na sobnoj temperaturi, što je malo manje od 5K ω × 2 × 2-16 i proizvodi grešku pojačanja od 2LSB pri punom stupnju.
Vjerojatno bi se ovaj problem mogao ublažiti ako se, kao što već jest, provodljivi pojas na ŠTAMPANOj ploči proširi. U analognim krugovima općenito je poželjnije koristiti širi opseg, ali mnogi dizajneri PCB -a (i dizajneri PCB -a) radije koriste minimalnu širinu pojasa kako bi olakšali postavljanje signalne linije. Zaključno, važno je izračunati otpor vodljivog pojasa i analizirati njegovu ulogu u svim mogućim problemima.
3. P: Postoji li problem s kapacitetom vodljivog pojasa prevelike širine i metalnim slojem na stražnjoj strani ŠTAMPANE ploče?
O: To je malo pitanje. Iako je kapacitet iz vodljivog područja tiskane ploče važan (čak i za niskofrekventna kola koja mogu proizvesti visokofrekventne parazitske oscilacije), uvijek ga treba prvo procijeniti. Ako to nije slučaj, čak ni široki vodljivi pojas koji tvori veliki kapacitet nije problem. Ako se pojave problemi, može se ukloniti mala površina uzemljenja kako bi se smanjio kapacitet na zemlju.
P: Ostavite ovo pitanje na trenutak! Šta je ravnina uzemljenja?
O: Ako se za uzemljenje koristi bakrena folija sa cijele strane ŠTAMPANE ploče (ili cijelog međusloja višeslojne štampane ploče), to je ono što nazivamo ravninom uzemljenja. Bilo koja žica za uzemljenje mora biti postavljena sa najmanjim mogućim otporom i induktivnošću. Ako sistem koristi ravninu uzemljenja, manja je vjerojatnost da će na njega utjecati buka uzemljenja. Osim toga, ravnina uzemljenja ima i funkciju zaštite i hlađenja
P: Ovdje spomenuti avion za uzemljenje je težak za proizvođače, zar ne?
O: Bilo je nekih problema prije 20 godina. Danas je, zbog poboljšanja veziva, otpora lemljenja i tehnologije lemljenja valova u tiskanim pločicama, proizvodnja uzemljenja postala rutinska operacija tiskanih ploča.
P: Rekli ste da je mogućnost izlaganja sistema buci na tlu korištenjem uzemljenja vrlo mala. Šta ostaje od problema buke na zemlji koji se ne može riješiti?
O: Osnovni krug uzemljenog sistema šuma ima ravninu uzemljenja, ali njegov otpor i induktivnost nisu nuli – ako je vanjski izvor struje dovoljno jak, to će utjecati na precizne signale. Ovaj se problem može minimizirati pravilnim rasporedom štampanih ploča tako da velika struja ne teče u područja koja utječu na napon uzemljenja preciznih signala. Ponekad prekid ili prorez u ravnini uzemljenja može odvratiti veliku struju uzemljenja iz osjetljivog područja, ali nasilno mijenjanje uzemljenja može preusmjeriti signal u osjetljivo područje, pa se takva tehnika mora koristiti oprezno.
P: Kako mogu znati pad napona generiran na uzemljenoj ravnini?
O: Obično se može izmjeriti pad napona, ali ponekad se mogu izvršiti proračuni na osnovu otpora materijala u ravnini uzemljenja (nominalna 1 unca bakra ima otpor 045m ω /□) i dužine provodni pojas kroz koji struja prolazi, iako proračuni mogu biti komplikovani. Naponi u rasponu od dc do niske frekvencije (50kHz) mogu se mjeriti pomoću instrumentalnih pojačala kao što je AMP02 ili AD620.
Pojačalo pojačala je postavljeno na 1000 i spojeno na osciloskop osjetljivosti 5mV/div. Pojačalo se može napajati iz istog izvora napajanja kao i ispitivano kolo ili iz vlastitog izvora napajanja. Međutim, ako je masa pojačala odvojena od baze napajanja, osciloskop mora biti spojen na bazu napajanja korištenog strujnog kruga.
Otpor između bilo koje dvije točke na ravnini tla može se mjeriti dodavanjem sonde na dvije tačke. Kombinacija pojačanja pojačala i osjetljivosti osciloskopa omogućuje osjetljivost mjerenja da dosegne 5μV/div. Buka iz pojačala će povećati širinu krivulje osciloskopskog talasa za oko 3μV, ali je i dalje moguće postići rezoluciju od oko 1μV – što je dovoljno za razlikovanje većine šuma na tlu sa do 80% povjerenja.
P: Šta treba napomenuti o gore navedenoj metodi ispitivanja?
O: Bilo koje naizmjenično magnetsko polje izazvat će napon na vodiču sonde, što se može testirati kratkim spojem sondi jedna prema drugoj (i osiguravanjem putanje otklona do otpora uzemljenja) i promatranjem valnog oblika osciloskopa. Uočeni oblik talasa izmjenične struje je posljedica indukcije i može se minimizirati promjenom položaja elektrode ili pokušajem uklanjanja magnetskog polja. Osim toga, potrebno je osigurati da je uzemljenje pojačala povezano sa uzemljenjem sistema. Ako pojačalo ima ovu vezu, nema povratne putanje skretanja i pojačalo neće raditi. Uzemljenje bi također trebalo osigurati da korištena metoda uzemljenja ne ometa trenutnu distribuciju kruga koji se ispituje.
P: Kako mjeriti visokofrekventni šum uzemljenja?
O: Teško je mjeriti hf šum zemlje s odgovarajućim širokopojasnim instrumentacijskim pojačalom, pa su prikladne hf i VHF pasivne sonde. Sastoji se od feritnog magnetskog prstena (vanjski promjer 6 ~ 8 mm) s dva namotaja od po 6 ~ 10 okreta. Za formiranje visokofrekventnog izolacijskog transformatora jedna zavojnica je spojena na ulaz analizatora spektra, a druga na sondu.
Metoda ispitivanja je slična slučaju niske frekvencije, ali analizator spektra koristi amplitudno-frekvencijske karakteristične krivulje za predstavljanje šuma. Za razliku od svojstava vremenske domene, izvori šuma mogu se lako razlikovati na osnovu njihovih frekvencijskih karakteristika. Osim toga, osjetljivost analizatora spektra je barem 60 dB veća od osjetljivosti širokopojasnog osciloskopa.
P: Što je s induktivnošću žice?
O: Induktivnost vodiča i PCB vodljivih pojaseva ne može se zanemariti na višim frekvencijama. Kako bi se izračunao induktivitet ravne žice i vodljivog pojasa, ovdje se uvode dvije aproksimacije.
Na primjer, vodljiva traka duga 1 cm i široka 0.25 mm tvorit će induktivitet od 10nH.
Induktivnost vodiča = 0.0002LLN2LR-0.75 μH
Na primjer, induktivnost žice vanjskog promjera 1 mm dugačke 0.5 cm iznosi 7.26 nh (2R = 0.5 mm, L = 1 cm)
Induktivnost provodnog pojasa = 0.0002LLN2LW+H+0.2235W+HL+0.5μH
Na primjer, induktivnost provodne trake štampane ploče širine 1 cm širine 0.25 cm iznosi 9.59 nh (V = 0.038 mm, Š = 0.25 mm, L = 1 cm).
Međutim, induktivna reaktancija je obično mnogo manja od parazitskog toka i induciranog napona prekinutog induktivnog kola. Područje petlje mora se minimizirati jer je inducirani napon proporcionalan površini petlje. To je lako učiniti kada je ožičenje upleteno.
U štampanim pločama, vodići i povratni putevi moraju biti bliski. Male promjene ožičenja često minimiziraju utjecaj, pogledajte izvor A spojen na niskoenergetsku petlju B.
Smanjivanjem površine petlje ili povećanjem udaljenosti između petlji spojke minimizirat će se učinak. Područje petlje obično se smanjuje na minimum, a udaljenost između spojnih petlji se maksimizira. Ponekad je potrebna magnetska zaštita, ali je skupa i sklona mehaničkim kvarima, stoga je izbjegavajte.
11. P: U pitanjima i odgovorima za inženjere aplikacija često se spominje neidealno ponašanje integriranih kola. Trebalo bi biti lakše koristiti jednostavne komponente poput otpornika. Objasnite blizinu idealnih komponenti.
O: Samo želim da otpornik bude idealan uređaj, ali kratki cilindar na vrhu otpornika djeluje točno kao čisti otpornik. Stvarni otpornik također sadrži zamišljenu komponentu otpora – komponentu reaktanse. Većina otpornika ima mali kapacitet (tipično 1 do 3pF) paralelno s njihovim otporom. Iako su neki otpornici filma, rezanje spiralnih utora u njihovim otpornim filmovima uglavnom induktivno, njihova induktivna reaktancija je desetine ili stotine nahena (nH). Naravno, otpori namotanih žica općenito su induktivni, a ne kapacitivni (barem na niskim frekvencijama). Uostalom, žičani otpornici napravljeni su od zavojnica, pa nije neuobičajeno da otpornici s namotanom žicom imaju induktivitet od nekoliko mikrohm (μH) ili desetke mikrohma, ili čak takozvane „neinduktivne“ otpornike sa žicom (gdje je polovica zavojnica namotana u smjeru kazaljke na satu, a druga polovica u smjeru suprotnom od kazaljke na satu). Tako da se induktivnost koju proizvode dvije polovice zavojnice međusobno poništava) također ima 1μH ili više zaostale induktivnosti. Za visokokvalitetne žičane otpornike iznad približno 10k ω, preostali otpornici su uglavnom kapacitivni, a ne induktivni, a kapacitet je do 10pF, veći od onog kod standardnih tankoslojnih ili sintetičkih otpornika. Ova reaktancija mora se pažljivo uzeti u obzir pri projektiranju visokofrekventnih krugova koji sadrže otpornike.
P: Ali mnogi krugovi koje opisujete koriste se za precizna mjerenja na istosmjernim ili vrlo niskim frekvencijama. Spušteni induktori i zalutali kondenzatori nisu bitni u ovim aplikacijama, zar ne?
O: da. Budući da tranzistori (i diskretni i unutar integriranih kola) imaju vrlo široke širine pojasa, ponekad se mogu pojaviti oscilacije u stotinama ili hiljadama megahercnih pojasa kada se krug završi s induktivnim opterećenjem. Postupci pomaka i ispravljanja povezani s oscilacijama imaju loš utjecaj na točnost i stabilnost niske frekvencije.
Što je još gore, osciloze možda neće biti vidljive niti na osciloskopu jer je širina pojasa osciloskopa premala u odnosu na propusni opseg visokofrekventnih oscilacija koje se mjere, ili zato što je kapacitet naboja sonde osciloskopa dovoljan da zaustavi osciloze. Najbolji način je korištenje širokog pojasa (niske frekvencije do 15GHz iznad) analizatora spektra za provjeru sistema na parazitske oscilacije. Ovu provjeru treba izvršiti kada ulaz varira u cijelom dinamičkom rasponu, jer se parazitske oscilacije ponekad javljaju u vrlo uskom rasponu ulaznog pojasa.
P: Ima li pitanja o otpornicima?
O: Otpor otpornika nije stabilan, ali varira ovisno o temperaturi. Temperaturni koeficijent (TC) varira od nekoliko PPM /° C (milioniti dio po stepenu Celzijusa) do nekoliko hiljada PPM /° C. Najstabilniji otpornici su otpornici namotani žicom ili metalni film, a najgori otpornici od sintetičkog ugljičnog filma.
Veliki temperaturni koeficijenti ponekad mogu biti korisni (otpornik od +3500ppm/ ° C može se koristiti za kompenzaciju kT/ Q u jednadžbi karakteristika spojne diode, kao što je ranije spomenuto u pitanjima i odgovorima za inženjere aplikacija). Ali općenito otpor s temperaturom može biti izvor greške u preciznim krugovima.
Ako preciznost kola ovisi o podudaranju dva otpornika s različitim temperaturnim koeficijentima, bez obzira koliko dobro usklađeni na jednoj temperaturi, neće se podudarati na drugoj. Čak i ako se temperaturni koeficijenti dva otpornika podudaraju, nema garancije da će ostati na istoj temperaturi. Samozagrijavanje koje stvara interna potrošnja energije ili vanjska toplina koja se prenosi iz izvora topline u sistemu može uzrokovati neusklađenost temperature, što rezultira otporom. Čak i visokokvalitetni otpornici namotani u žicu ili metalni film mogu imati temperaturne neusklađenosti stotine (ili čak hiljade) PPM / ℃. Očigledno rješenje je korištenje dva otpornika izgrađena tako da su oba vrlo blizu iste matrice, tako da se preciznost sistema u svakom trenutku dobro podudara. Podloga može biti silikonska ploča koja simulira precizna integrirana kola, staklene pločice ili metalni filmovi. Bez obzira na podlogu, dva otpornika se dobro slažu tokom proizvodnje, imaju dobro usklađene temperaturne koeficijente i nalaze se na gotovo istim temperaturama (jer su toliko blizu).