Placa de circuit imprès problemes i solucions difícils

Q: As mentioned earlier about simple resistors, there must be some resistors whose performance is exactly what we expect. What happens to the resistance of a section of wire?
R: La situació és diferent. Presumiblement es refereix a un cable o una banda conductora en una placa de circuit imprès que actua com un cable. Com que els superconductors a temperatura ambient encara no estan disponibles, qualsevol longitud de fil metàl·lic actua com una resistència de baixa resistència (que també actua com a condensador i inductor) i cal tenir en compte el seu efecte sobre el circuit.
2. P: La resistència d’un fil de coure molt curt en un circuit de senyal petit no ha de ser important?
R: considerem un ADC de 16 bits amb una impedància d’entrada de 5k ω. Suposem que la línia de senyal de l’entrada ADC consisteix en una placa de circuit imprès típica (0.038 mm de gruix, 0.25 mm d’ample) amb una banda conductora de 10 cm de longitud. Té una resistència d’aproximadament 0.18 ω a temperatura ambient, que és una mica inferior a 5 K × 2 × 2-16 i produeix un error de guany de 2 LSB a grau complet.
Es podria discutir que aquest problema es pot mitigar si, com ja ho és, la banda conductora de la placa de circuit PRINTED s’amplia. En circuits analògics, en general és preferible utilitzar una banda més àmplia, però molts dissenyadors de PCB (i dissenyadors de PCB) prefereixen utilitzar una amplada mínima de banda per facilitar la col·locació de la línia de senyal. En conclusió, és important calcular la resistència de la banda conductora i analitzar el seu paper en tots els problemes possibles.
3. Q: Is there a problem with the capacitance of the conductive band with too large width and the metal layer on the back of the PRINTED circuit board?
A: It’s a small question. Although capacitance from the conductive band of the PRINTED circuit board is important (even for low-frequency circuits, which can produce high-frequency parasitic oscillations), it should always be estimated first. If this is not the case, even a wide conductive band forming a large capacitance is not a problem. If problems arise, a small area of the ground plane can be removed to reduce the capacitance to earth.
P: Deixeu aquesta pregunta per un moment. Què és el pla de terra?
R: Si s’utilitza làmina de coure a tot el costat d’una placa de circuit PRINTED (o tota la capa intermèdia d’una placa de circuit imprès multicapa) per posar a terra, això és el que anomenem pla de terra. Qualsevol cable de terra s’ha d’organitzar amb la menor resistència i inductància possibles. Si un sistema utilitza un pla de terra, és menys probable que es vegi afectat pel soroll de terra. A més, el pla de terra també té la funció de protecció i refrigeració
P: L’avió de terra esmentat aquí és difícil per als fabricants, oi?
R: Hi va haver alguns problemes fa 20 anys. Avui dia, a causa de la millora de la tecnologia d’aglutinant, resistència a la soldadura i soldadura d’ones a les plaques de circuits impresos, la fabricació de plànols de terra s’ha convertit en una operació rutinària de les plaques de circuits impresos.
P: Heu dit que la possibilitat d’exposar un sistema al soroll del sòl mitjançant un pla de terra és molt petita. Què queda del problema del soroll del terra que no es pot solucionar?
R: El circuit bàsic d’un sistema de soroll a terra té un pla de terra, però la seva resistència i inductància no són zero: si la font de corrent externa és prou forta, afectarà els senyals precisos. Aquest problema es pot minimitzar disposant adequadament les plaques de circuits impresos de manera que no flueixi un corrent elevat cap a zones que afecten la tensió de terra dels senyals de precisió. De vegades, un trencament o escletxa al pla de terra pot desviar un gran corrent de terra de la zona sensible, però canviar de manera forçada el pla de terra també pot desviar el senyal cap a la zona sensible, de manera que aquesta tècnica s’ha d’utilitzar amb cura.
P: Com puc saber la caiguda de tensió generada en un pla a terra?
R: normalment es pot mesurar la caiguda de tensió, però de vegades es poden fer càlculs en funció de la resistència del material al pla de terra (una unça nominal de coure té una resistència de 10m ω / □) i la longitud del banda conductora per la qual passa el corrent, tot i que els càlculs poden ser complicats. Els voltatges de la freqüència de corrent continu a baixa freqüència (45 kHz) es poden mesurar amb amplificadors d’instrumentació com AMP50 o AD02.
The amplifier gain was set at 1000 and connected to an oscilloscope with a sensitivity of 5mV/div. The amplifier may be supplied from the same power source as the circuit under test, or from its own power source. However, if the amplifier ground is separated from its power base, the oscilloscope must be connected to the power base of the power circuit used.
The resistance between any two points on the ground plane can be measured by adding a probe to the two points. The combination of amplifier gain and oscilloscope sensitivity enables the measurement sensitivity to reach 5μV/div. Noise from the amplifier will increase the width of the oscilloscope waveform curve by about 3μV, but it is still possible to achieve a resolution of about 1μV — enough to distinguish most ground noise with up to 80% confidence.
Q: What should be noted about the above test method?
R: Qualsevol camp magnètic altern induirà una tensió al cable de la sonda, que es pot provar curtcircuitant les sondes entre si (i proporcionant un camí de deflexió a la resistència del sòl) i observant la forma d’ona de l’oscil·loscopi. La forma d’ona CA observada es deu a la inducció i es pot minimitzar canviant la posició del cable o intentant eliminar el camp magnètic. A més, cal assegurar-se que la connexió a terra de l’amplificador està connectada a la connexió a terra del sistema. Si l’amplificador té aquesta connexió, no hi ha cap camí de retorn de deflexió i l’amplificador no funcionarà. La connexió a terra també ha de garantir que el mètode de connexió a terra utilitzat no interfereixi en la distribució de corrent del circuit sotmès a prova.
P: Com es mesura el soroll de connexió a terra d’alta freqüència?
A: It is difficult to measure hf ground noise with a suitable wideband instrumentation amplifier, so hf and VHF passive probes are appropriate. It consists of a ferrite magnetic ring (outer diameter of 6 ~ 8mm) with two coils of 6 ~ 10 turns each. To form a high-frequency isolation transformer, one coil is connected to the spectrum analyzer input and the other to the probe.
El mètode de prova és similar al cas de baixa freqüència, però l’analitzador d’espectre utilitza corbes característiques amplitud-freqüència per representar el soroll. A diferència de les propietats del domini temporal, les fonts de soroll es poden distingir fàcilment en funció de les seves característiques de freqüència. A més, la sensibilitat de l’analitzador d’espectre és, com a mínim, 60dB superior a la de l’oscil·loscopi de banda ampla.
P: Què passa amb la inductància d’un cable?
R: La inductància dels conductors i de les bandes conductores del PCB no es pot ignorar a freqüències més altes. Per tal de calcular la inductància d’un fil recte i d’una banda conductora, s’introdueixen dues aproximacions aquí.
Per exemple, una banda conductora d’1cm de llarg i 0.25mm d’ample formarà una inductància de 10nH.
Conductor inductance = 0.0002LLN2LR-0.75 μH
Per exemple, la inductància d’un cable de 1 mm de diàmetre exterior d’0.5 cm de llargada és de 7.26 nh (2R = 0.5 mm, L = 1 cm)
Conductive band inductance = 0.0002LLN2LW +H+0.2235W+HL+0.5μH
Per exemple, la inductància de la banda conductora de la placa de circuit imprès de 1 mm d’0.25 cm d’amplada és de 9.59 nh (H = 0.038 mm, W = 0.25 mm, L = 1 cm).
Tanmateix, la reactància inductiva sol ser molt menor que el flux paràsit i la tensió induïda del circuit inductiu tallat. S’ha de minimitzar l’àrea del bucle perquè la tensió induïda és proporcional a l’àrea del bucle. Això és fàcil de fer quan el cablejat és de parell trenat.
A les plaques de circuits impresos, els camins de derivació i de retorn han d’estar propers. Els petits canvis de cablejat sovint minimitzen l’impacte, vegeu la font A acoblada al bucle B.
Reducing the loop area or increasing the distance between the coupling loops will minimize the effect. The loop area is usually reduced to a minimum and the distance between the coupling loops is maximized. Magnetic shielding is sometimes required, but is expensive and prone to mechanical failure, so avoid it.
11. P: En preguntes i respostes per a enginyers d’aplicacions, sovint s’esmenta un comportament no ideal dels circuits integrats. Hauria de ser més fàcil utilitzar components senzills com ara resistències. Expliqueu la proximitat dels components ideals.
R: Només vull que una resistència sigui un dispositiu ideal, però el cilindre curt al capdavant d’una resistència actua exactament com una resistència pura. La resistència real també conté el component de resistència imaginari: el component de reactància. La majoria de les resistències tenen una petita capacitat (típicament d’1 a 3 pF) en paral·lel a la seva resistència. Tot i que algunes resistències de pel·lícules, el tall de ranures helicoïdals en les seves pel·lícules resistives és majoritàriament inductiu, la seva reactància inductiva és de desenes o centenars de nahen (nH). Per descomptat, les resistències de les bobinades són generalment inductives i no capacitives (almenys a freqüències baixes). Al cap i a la fi, les resistències enrotllades per filferro estan formades per bobines, per la qual cosa no és estrany que les resistències enrotllades per filferro tinguin inductàncies de diversos microhm (μH) o desenes de microhm, o fins i tot les anomenades resistències enrotllades “no inductives” (on la meitat de les bobines s’enrotllen en sentit horari i l’altra meitat en sentit antihorari). De manera que la inductància produïda per les dues meitats de la bobina es cancel·la) també té 1μH o més d’inductància residual. Per a resistències de bobinatge de filferro d’alt valor superior a aproximadament 10k ω, les resistències restants són majoritàriament capacitives en lloc d’inductives, i la capacitat és de fins a 10 pF, superior a la de les resistències de pel·lícula fina o sintètiques estàndard. Aquesta reactància s’ha de tenir en compte a l’hora de dissenyar circuits d’alta freqüència que contenen resistències.
P: Però molts dels circuits que descriviu s’utilitzen per a mesures precises a freqüències CC o molt baixes. Els inductors i condensadors perduts són irrellevants en aquestes aplicacions, oi?
A: sí. Com que els transistors (tant discrets com dins de circuits integrats) tenen amplades de banda molt àmplies, de vegades es poden produir oscil·lacions en centenars o milers de bandes de megahertzs ​​quan el circuit acaba amb una càrrega inductiva. Les accions de compensació i rectificació associades a les oscil·lacions tenen efectes negatius sobre la precisió i l’estabilitat de les freqüències baixes.
Pitjor encara, és possible que les oscil·lacions no siguin visibles en un oscil·loscopi perquè l’amplada de banda de l’oscil·loscopi és massa baixa en comparació amb l’amplada de banda de les oscil·lacions d’alta freqüència que es mesuren o perquè la capacitat de càrrega de la sonda de l’oscil·loscopi és suficient per aturar les oscil·lacions. El millor mètode és utilitzar un analitzador d’espectre de banda ampla (baixa freqüència a 15 GHz per sobre) per comprovar si el sistema presenta oscil·lacions parasitàries. Aquesta comprovació s’hauria de fer quan l’entrada varia en tot el rang dinàmic, perquè de vegades es produeixen oscil·lacions parasitàries en un rang molt estret de la banda d’entrada.
P: Hi ha alguna pregunta sobre les resistències?
A: The resistance of a resistor is not fixed, but varies with temperature. The temperature coefficient (TC) varies from a few PPM /°C(millionths per degree Celsius) to several thousand PPM /°C. The most stable resistors are wire wound or metal film resistors, and the worst are synthetic carbon film resistors.
De vegades, poden ser útils grans coeficients de temperatura (es pot fer servir una resistència de + 3500ppm / ° C per compensar kT / Q a l’equació característica del díode d’unió, com s’ha esmentat anteriorment a Q&AS per a enginyers d’aplicacions). Però, en general, la resistència a la temperatura pot ser una font d’error en els circuits de precisió.
Si la precisió del circuit depèn de la coincidència de dues resistències amb coeficients de temperatura diferents, per molt que coincideixi a una temperatura, no coincidirà a l’altra. Fins i tot si els coeficients de temperatura de dues resistències coincideixen, no es garanteix que es mantinguin a la mateixa temperatura. L’autocalor generat pel consum d’energia intern o la calor externa transmesa des d’una font de calor al sistema pot provocar desajustos de temperatura, cosa que pot resultar en resistència. Fins i tot les resistències de filferro o de metall de gran qualitat poden presentar desajustos de temperatura de centenars (o fins i tot milers) de PPM / ℃. La solució òbvia és utilitzar dues resistències construïdes de manera que totes dues estiguin molt a prop de la mateixa matriu, de manera que la precisió del sistema s’adapti bé en tot moment. El substrat pot ser hòsties de silici que simulen circuits integrats precisos, hòsties de vidre o pel·lícules metàl·liques. Independentment del substrat, les dues resistències coincideixen bé durant la fabricació, tenen coeficients de temperatura ben ajustats i es troben a gairebé la mateixa temperatura (perquè són tan a prop).