Circuitu stampatu prublemi è suluzioni difficiuli

Q: Cum’è menzionatu prima nantu à resistori semplici, ci deve esse qualchì resistore chì a so prestazione sia esattamente ciò chì aspettemu. Chì succede cù a resistenza di una sezzione di filu?
A: A situazione hè diversa. Presumibilmente si riferisce à un filu o una banda cunduttiva in un circuitu stampatu chì agisce cum’è un filu. Siccomu i supraconduttori à a temperatura di l’ambiente ùn sò ancu dispunibili, ogni lunghezza di filu metallicu agisce cum’è una resistenza à bassa resistenza (chì funge ancu da condensatore è induttore), è u so effettu nantu à u circuitu deve esse cunsideratu.
2. Q: A resistenza di un filu di ramu assai cortu in un picculu circuitu di signale ùn deve esse impurtante?
A: cunsideremu un ADC 16-bit cù una impedanza di ingressu di 5k ω. Assumemu chì a linea di segnale à l’entrata ADC consiste in un tipicu circuitu stampatu (0.038 mm di spessore, 0.25 mm di larghezza) cù una banda conduttiva di 10 cm di lunghezza. Hà una resistenza di circa 0.18 ω à temperatura ambiente, chì hè un pocu menu di 5K ω × 2 × 2-16 è produce un errore di guadagnu di 2LSB à pienu gradu.
Probabilmente, stu prublema pò esse mitigatu se, cume hè dighjà, a banda conduttiva di u circuitu PRINTED hè fatta più larga. In i circuiti analogichi, hè generalmente preferibile aduprà una banda più larga, ma assai cuncettori PCB (è cuncettori PCB) preferiscenu aduprà una larghezza minima di banda per facilità u piazzamentu di a linea di signale. In cunclusione, hè impurtante calculà a resistenza di a banda cunduttiva è analizà u so rolu in tutti i prublemi pussibuli.
3. Q: Ci hè un prublema cù a capacità di a banda cunduttiva cun larghezza troppu grande è u stratu di metallo à u fondu di u circuitu PRINTED?
A: Hè una piccula domanda. Ancu se a capacità da a banda cunduttiva di u circuitu PRINTED hè impurtante (ancu per i circuiti à bassa frequenza, chì ponu pruduce oscillazioni parasitiche à alta frequenza), deve sempre esse stimata prima. S’ellu ùn hè micca u casu, ancu una larga banda cunduttiva chì forma una grande capacità ùn hè micca un prublema. Se i prublemi si presentanu, una piccula zona di u pianu di terra pò esse rimossa per riduce a capacità à a terra.
Q: Lascià sta dumanda per un mumentu! Chì ghjè u pianu di terra?
A: Se u fogliu di rame nantu à tuttu u latu di un circuitu stampatu (o l’interu stratu di un circuitu stampatu multistratu) hè adupratu per a messa à terra, allora hè ciò chì chjamemu un pianu di messa à terra. Ogni filu di terra deve esse dispostu cù a minima resistenza è induttanza pussibuli. Se un sistema utilizza un pianu di messa à terra, hè menu probabile chì sia affettatu da u rumu di terra. Inoltre, u pianu di messa à terra hà ancu a funzione di schermatura è di raffreddamentu
Q: U pianu di messa à terra citatu quì hè difficiule per i pruduttori, nò?
A: Ci hè statu qualchì prublema 20 anni fà. Oghje, per via di u migliuramentu di u legante, a resistenza di saldatura è a tecnulugia di saldatura d’onda in i circuiti stampati, a fabricazione di u pianu di messa à terra hè diventata una operazione di routine di i circuiti stampati.
Q: Avete dettu chì a pussibilità di espone un sistema à u rumu di a terra aduprendu un pianu di terra hè assai chjuca. Chì ferma di u prublema di rumore di u terrenu chì ùn pò micca esse risoltu?
A: U circuitu di basa di un sistema di rumore messu à terra hà un pianu di terra, ma a so resistenza è l’induttanza ùn sò micca zero – se a fonte di corrente esterna hè abbastanza forte, influenzerà i segnali precisi. Stu prublema pò esse minimizatu urganizendu currettamente i circuiti stampati in modu chì un altu currente ùn scorri micca in e zone chì influenzanu a tensione di messa à terra di i segnali di precisione. A volte una rumpitura o una fessura in u pianu di terra pò sviare una grande corrente di messa à terra da a zona sensibile, ma cambià di forza u pianu di terra pò ancu svia u signale in a zona sensibile, dunque una tale tecnica deve esse usata cun prudenza.
Q: Cumu cunnoscu a caduta di tensione generata nantu à un pianu in terra?
A: di solitu a caduta di tensione pò esse misurata, ma qualchì volta i calculi ponu esse basati nantu à a resistenza di u materiale in u pianu di messa à terra (una nominale 1 once di rame hà una resistenza di 045m ω / □) è a lunghezza di u banda cunduttiva per a quale passa u currente, ancu se i calculi ponu esse cumplicati. E tensioni in a gamma à bassa frequenza (50kHz) ponu esse misurate cù amplificatori di strumentazione cum’è AMP02 o AD620.
U guadagnu di l’amplificatore hè statu impostatu à 1000 è cunnessu à un oscilloscopiu cù una sensibilità di 5mV / div. L’amplificatore pò esse furnitu da a stessa fonte di energia cum’è u circuitu in prova, o da a so propria fonte di energia. Tuttavia, se a terra di l’amplificatore hè separata da a so basa di potenza, l’oscilloscopiu deve esse cunnessu à a basa di potenza di u circuitu di potenza adupratu.
A resistenza trà dui punti nantu à u pianu di terra pò esse misurata aghjunghjendu una sonda à i dui punti. A cumbinazione di u guadagnu di l’amplificatore è a sensibilità di l’oscilloscopiu permette à a sensibilità di misurazione di ghjunghje à 5μV / div. U rumu di l’amplificatore aumenterà a larghezza di a curva di a forma d’onda di l’osciloscopiu di circa 3μV, ma hè ancu pussibule d’ottene una risoluzione di circa 1μV – abbastanza per distingue a maiò parte di u rumu di u tarrenu cun un 80% di fiducia.
Q: Chì duveria esse nutatu nantu à u metudu di prova sopra?
A: Ogni campu magneticu alternativu induce una tensione nantu à u cavu di a sonda, chì pò esse testata cortocircuitando e sonde l’una à l’altra (è furnendu un percorsu di deviazione à a resistenza di u terrenu) è osservendu a forma d’onda di l’oscilloscopiu. A forma d’onda AC osservata hè duvuta à l’induzione è pò esse minimizata cambiendu a pusizione di u piombu o pruvendu à eliminà u campu magneticu. Inoltre, hè necessariu assicurà chì a messa à terra di l’amplificatore sia cunnessa à a messa à terra di u sistema. Se l’amplificatore hà sta cunnessione ùn ci hè micca una strada di ritornu di deviazione è l’amplificatore ùn funzionerà micca. A messa à terra deve ancu assicurà chì u metudu di messa à terra adupratu ùn interferisce micca cù a distribuzione attuale di u circuitu in prova.
Q: Cumu misurà u rumu di terra à alta frequenza?
A: Hè difficiule di misurà u rumu di terra hf cun un amplificatore di strumentazione à banda larga adattatu, cusì e sonde passive hf è VHF sò adatte. Si compone di un anellu magneticu di ferrite (diametru esternu di 6 ~ 8mm) cù duie bobine di 6 ~ 10 giri ciascuna. Per furmà un trasformatore d’isolamentu à alta frequenza, una bobina hè cunnessa à l’entrata di l’analizzatore di spettru è l’altra à a sonda.
U metudu di prova hè simile à u casu di bassa frequenza, ma l’analizzatore di spettru utilizza curve caratteristiche di ampiezza-frequenza per rapresentà u rumu. A diversità di e pruprietà di u duminiu di u tempu, e fonti di rumore ponu esse facilmente distinti in base à e so caratteristiche di frequenza. Inoltre, a sensibilità di l’analizatore di spettru hè almenu 60dB superiore à quella di l’osciloscopiu à banda larga.
Q: Chì ne pensi di l’induttanza di un filu?
A: L’induttanza di i cunduttori è di e bande cunduttive PCB ùn pò micca esse ignorata à frequenze più alte. Per calculà l’induttanza di un filu drittu è di una banda cunduttiva, duie apprussimazioni sò introdutte quì.
Per esempiu, una banda cunduttiva longa 1cm è larga 0.25mm formerà una induttanza di 10nH.
Induttanza di u cunduttore = 0.0002LLN2LR-0.75 μH
Per esempiu, l’induttanza di un filu di diametru esternu di 1 cm di lunghezza di 0.5 cm hè 7.26 nh (2R = 0.5 mm, L = 1 cm)
Induttanza di a banda cunduttiva = 0.0002LLN2LW + H + 0.2235W + HL + 0.5μH
Per esempiu, l’induttanza di a banda cunduttiva di u circuitu stampatu di 1 cm di larghezza da 0.25 mm hè 9.59 nh (H = 0.038 mm, L = 0.25 mm, L = 1 cm).
Tuttavia, a reattanza induttiva hè di solitu assai più chjuca di u flussu parasiticu è a tensione indotta di u circuitu induttivu tagliatu. L’area di u ciclu deve esse minimizata perchè a tensione indotta hè prupurziunale à l’area di u ciclu. Questu hè faciule da fà quandu u cablaggio hè torce-coppia.
In i circuiti stampati, i percorsi di piombu è di ritornu devenu esse vicini. I picculi cambiamenti di fili minimizanu spessu l’impattu, vede a fonte A accoppiata à u ciclu B à bassa energia.
Riducendu a zona di u ciclu o aumentendu a distanza trà i cicli di accoppiamentu minimizerà l’effettu. A zona di u ciclu hè generalmente ridutta à u minimu è a distanza trà i cicli di accoppiamentu hè maximizata. A schermatura magnetica hè qualchì volta necessaria, ma hè cara è propensa à falli meccanichi, allora evitala.
11. Q: In Q&A per Ingegneri d’Applicazione, u cumpurtamentu micca ideale di i circuiti integrati hè spessu menzionatu. Deve esse più faciule d’utilizà cumpunenti simplici cum’è resistenze. Spiegà a vicinanza di cumpunenti ideali.
A: Vogliu solu una resistenza per esse un dispositivu ideale, ma u cilindru cortu à u capu di una resistenza funziona esattamente cum’è una resistenza pura. A resistenza vera cuntene ancu u cumpunente di resistenza immaginariu – u cumpunente di reattanza. A maiò parte di e resistenze anu una piccula capacità (tipicamente 1 à 3pF) in parallelu à a so resistenza. Ancu se alcune resistenze di film, u tagliu elicoidale di scanalatura in i so film resistivi hè in gran parte induttivo, a so reattanza induttiva hè decine o centinaia di nahen (nH). Benintesa, e resistenze à ferite di filu sò generalmente induttive piuttostu cà capacitive (almenu à basse frequenze). Dopu tuttu, e resistenze à filu di ferru sò fatte di bobine, dunque ùn hè micca raru chì e resistenze à filu di ferru abbianu induttanze di parechji microhm (μH) o decine di microhm, o ancu e cosiddette resistenze à filu “non induttive” (induve a metà di e bobine sò avvolte in senso orariu è l’altra metà in senso antiorariu). Cusì l’induttanza prodotta da e duie metà di a bobina si annulla l’altru) hà ancu 1μH o più d’induttanza residuale. Per resistori à ferru di filu di altu valore sopra à circa 10k ω, e resistenze restanti sò per suprattuttu capacitive piuttostu ch’è induttive, è a capacità hè finu à 10pF, più altu ch’è quella di u film sottile standard o di resistenze sintetiche. Questa reattanza deve esse attentamente cunsiderata quandu cuncepisce circuiti à alta frequenza chì cuntenenu resistenze.
Q: Ma assai di i circuiti chì descrive sò aduprati per misurazioni precise in CC o frequenze assai basse. Induttori stray è condensatori stray sò irrilevanti in queste applicazioni, nò?
A: iè. Perchè i transistori (sia discreti sia in circuiti integrati) anu larghezze di banda assai larghe, l’oscillazioni ponu accade qualchì volta in centinaia o migliaia di bande di megahertz quandu u circuitu finisce cù una carica induttiva. L’azzioni di compensazione è di rettificazione assuciata à l’oscillazioni anu effetti cattivi nantu à a precisione è a stabilità à bassa frequenza.
Peggiu, l’oscilazioni ùn ponu micca esse visibili nant’à un oscilloscopiu sia perchè a larghezza di banda di l’oscilloscopiu hè troppu bassa paragunata à a larghezza di banda di l’oscillazioni à alta frequenza misurate, o perchè a capacità di carica di a sonda di l’oscilloscopiu hè sufficiente per fermà l’osciloscopie. U megliu metudu hè di aduprà una banda larga (bassa frequenza à 15GHz sopra) analizzatore di spettru per verificà u sistema per oscillazioni parassite. Questa verificazione duveria esse fatta quandu l’ingressu varieghja nantu à tutta a gamma dinamica, perchè oscillazioni parassite si verificanu à volte in una gamma assai stretta di a banda di input.
Q: Ci hè qualchì domanda nantu à resistori?
A: A resistenza di una resistenza ùn hè micca fissa, ma varieghja cù a temperatura. U coefficiente di temperatura (TC) varieghja da pochi PPM / ° C (millesimi per gradu Celsius) à parechje migliaia di PPM / ° C. I resistori i più stabili sò resistenti à filu feritu o film metallicu, è i peghju sò resistenti film film di carbone sinteticu.
Grandi coefficienti di temperatura ponu esse qualchì volta utili (una resistenza di + 3500ppm / ° C pò esse aduprata per cumpensà kT / Q in l’equazione caratteristica di u diode di junction, cum’è menzionatu in precedenza in Q&AS per Ingegneri di Applicazione). Ma in generale a resistenza à a temperatura pò esse una fonte d’errore in i circuiti di precisione.
Se a precisione di u circuitu dipende da a partita di duie resistenze cù coefficienti di temperatura diversi, allora ùn importa quantu sia currispundente à una temperatura, ùn currisponderà micca à l’altra. Ancu se i coefficienti di temperatura di duie resistenze currispondenu, ùn ci hè nisuna garanzia ch’elli resteranu à listessa temperatura. L’autocalore generatu da u cunsumu d’energia internu o da u calore esternu trasmessu da una fonte di calore in u sistema pò causà disunioni di temperatura, resultendu in resistenza. Ancu e resistenze à filu di ferru o di metallu di alta qualità ponu avè disunioni di temperatura di centinaia (o ancu millaie) PPM / ℃. A suluzione evidente hè di aduprà duie resistenze custruite in modu chì sianu tramindui assai vicinu à a listessa matrice, affinchì a precisione di u sistema sia currispundente bè in ogni momentu. U substratu pò esse cialde in siliziu chì simulanu circuiti integrati precisi, cialde in vetru o film metallici. Indipendentemente da u sustratu, e duie resistenze currispondenu bè durante a fabricazione, anu coefficienti di temperatura ben accurdati, è sò à guasi listessa temperatura (perchè sò cusì vicini).