Plošný spoj obtížné problémy a řešení

Otázka: Jak již bylo zmíněno dříve o jednoduchých rezistorech, musí existovat některé rezistory, jejichž výkon je přesně to, co očekáváme. Co se stane s odporem části drátu?
A: Situace je jiná. Pravděpodobně máte na mysli drát nebo vodivý pás na desce s plošnými spoji, který funguje jako drát. Vzhledem k tomu, že supravodiče při pokojové teplotě ještě nejsou k dispozici, jakákoli délka kovového drátu působí jako odpor s nízkým odporem (který také funguje jako kondenzátor a induktor) a je třeba vzít v úvahu jeho účinek na obvod.
2. Otázka: Odpor velmi krátkého měděného drátu v malém signálním obvodu nesmí být důležitý?
Odpověď: Uvažujme 16bitový ADC se vstupní impedancí 5k ω. Předpokládejme, že signálová linka ke vstupu ADC se skládá z typické desky s plošnými spoji (tloušťka 0.038 mm, šířka 0.25 mm) s vodivým pásmem o délce 10 cm. Má odpor asi 0.18 ω při pokojové teplotě, což je o něco méně než 5K ω × 2 × 2-16 a produkuje chybu zesílení 2LSB v plném stupni.
Tento problém lze pravděpodobně zmírnit, pokud se vodivé pásmo desky plošných spojů PRINTED rozšíří, jak již je. V analogových obvodech je obecně vhodnější použít širší pásmo, ale mnoho návrhářů desek plošných spojů (a návrhářů desek plošných spojů) dává přednost použití minimální šířky pásma, aby se usnadnilo umístění signálové linky. Na závěr je důležité vypočítat odpor vodivého pásma a analyzovat jeho roli ve všech možných problémech.
3. Otázka: Je problém v kapacitě vodivého pásu s příliš velkou šířkou a kovové vrstvě na zadní straně desky PRINTED?
Odpověď: Je to malá otázka. Přestože je důležitá kapacita z vodivého pásma desky PRINTED (i pro nízkofrekvenční obvody, které mohou produkovat vysokofrekvenční parazitní oscilace), měla by být vždy nejprve odhadnuta. Pokud tomu tak není, není problémem ani široké vodivé pásmo tvořící velkou kapacitu. Dojde -li k problémům, lze malou oblast základní roviny odstranit, aby se snížila kapacita vůči zemi.
Otázka: Nechte tuto otázku na chvíli! Co je to uzemňovací rovina?
Odpověď: Pokud je k uzemnění použita měděná fólie na celé straně desky PRINTED (nebo celé mezivrstvy vícevrstvé desky s plošnými spoji), pak tomu říkáme uzemňovací rovina. Jakýkoli zemnící vodič musí být uspořádán s co nejmenším odporem a indukčností. Pokud systém používá uzemňovací rovinu, je méně pravděpodobné, že bude ovlivněn hlukem uzemnění. Uzemňovací rovina má navíc také funkci stínění a chlazení
Otázka: Zde uvedená uzemňovací rovina je pro výrobce obtížná, že?
Odpověď: Před 20 lety byly nějaké problémy. Dnes se díky zdokonalení pojiva, odporu pájky a technologie pájení vlnou na deskách tištěných spojů stala výroba uzemňovací roviny rutinní činností desek s plošnými spoji.
Otázka: Řekl jste, že možnost vystavit systém zemnímu hluku pomocí pozemní roviny je velmi malá. Co zbývá z problému se zemním hlukem, který nelze vyřešit?
Odpověď: Základní obvod uzemněného hlukového systému má zemnící rovinu, ale jeho odpor a indukčnost nejsou nulové – pokud je externí zdroj proudu dostatečně silný, ovlivní to přesné signály. Tento problém lze minimalizovat správným uspořádáním desek plošných spojů tak, aby do oblastí, které ovlivňují uzemňovací napětí přesných signálů, netekl vysoký proud. Někdy může zlom nebo štěrbina v zemní rovině odklonit velký zemnící proud z citlivé oblasti, ale násilná změna základní roviny může také odklonit signál do citlivé oblasti, takže takovou techniku ​​je třeba používat opatrně.
Otázka: Jak poznám úbytek napětí generovaný na uzemněné rovině?
A: obvykle lze změřit pokles napětí, ale někdy lze provést výpočty na základě odporu materiálu v uzemňovací rovině (nominální 1 unce mědi má odpor 045m ω /□) a délky vodivé pásmo, kterým prochází proud, i když výpočty mohou být komplikované. Napětí v rozsahu stejnosměrných až nízkofrekvenčních (50kHz) lze měřit přístrojovými zesilovači, jako je AMP02 nebo AD620.
Zesílení zesilovače bylo nastaveno na 1000 a připojeno k osciloskopu s citlivostí 5mV/div. Zesilovač může být napájen ze stejného zdroje energie jako testovaný obvod nebo z vlastního zdroje energie. Pokud je však zem zesilovače oddělena od napájecí základny, musí být osciloskop připojen k napájecí základně použitého výkonového obvodu.
Odpor mezi libovolnými dvěma body v základní rovině lze měřit přidáním sondy ke dvěma bodům. Kombinace zesílení zesilovače a citlivosti osciloskopu umožňuje dosáhnout citlivosti měření 5μV/div. Hluk ze zesilovače zvýší šířku křivky osciloskopu o přibližně 3μV, ale stále je možné dosáhnout rozlišení přibližně 1μV – dost na to, aby bylo možné rozlišit většinu pozemního šumu s až 80% jistotou.
Otázka: Co je třeba poznamenat ohledně výše uvedené zkušební metody?
Odpověď: Jakékoli střídavé magnetické pole vyvolá na vodiči sondy napětí, které lze testovat vzájemným zkratováním sond (a poskytnutím vychylovací cesty k odporu země) a pozorováním průběhu osciloskopu. Pozorovaný průběh střídavého proudu je způsoben indukcí a lze jej minimalizovat změnou polohy svodu nebo pokusem o odstranění magnetického pole. Kromě toho je nutné zajistit, aby uzemnění zesilovače bylo připojeno k uzemnění systému. Pokud má zesilovač toto připojení, neexistuje žádná zpětná cesta vychýlení a zesilovač nebude fungovat. Uzemnění by také mělo zajistit, aby použitá metoda uzemnění nerušila rozložení proudu testovaného obvodu.
Otázka: Jak měřit vysokofrekvenční uzemňovací hluk?
A: Je obtížné měřit hf pozemní šum vhodným širokopásmovým přístrojovým zesilovačem, takže pasivní sondy hf a VHF jsou vhodné. Skládá se z feritového magnetického prstence (vnější průměr 6 ~ 8 mm) se dvěma cívkami po 6 ~ 10 otáčkách. Pro vytvoření vysokofrekvenčního izolačního transformátoru je jedna cívka připojena ke vstupu analyzátoru spektra a druhá k sondě.
Zkušební metoda je podobná případu s nízkou frekvencí, ale spektrální analyzátor používá k reprezentaci šumu charakteristické křivky amplitudové frekvence. Na rozdíl od vlastností časové domény lze zdroje šumu snadno rozlišit na základě jejich frekvenčních charakteristik. Citlivost spektrálního analyzátoru je navíc nejméně o 60 dB vyšší než u širokopásmového osciloskopu.
Otázka: A co indukčnost drátu?
Odpověď: Indukčnost vodičů a vodivých pásů desky plošných spojů nelze při vyšších frekvencích ignorovat. Aby bylo možné vypočítat indukčnost přímého drátu a vodivého pásma, jsou zde zavedeny dvě aproximace.
Například vodivý pás o délce 1 cm a šířce 0.25 mm vytvoří indukčnost 10 nH.
Indukčnost vodiče = 0.0002LLN2LR-0.75 μH
Například indukčnost 1cm dlouhého 0.5mm drátu s vnějším průměrem je 7.26nh (2R = 0.5mm, L = 1cm)
Indukčnost vodivého pásma = 0.0002LLN2LW+H+0.2235W+HL+0.5μH
Například indukčnost 1 cm širokého 0.25 mm vodivého pásu desky s plošnými spoji je 9.59 nh (v = 0.038 mm, š = 0.25 mm, d = 1 cm).
Indukční reaktance je však obvykle mnohem menší než parazitní tok a indukované napětí přerušeného indukčního obvodu. Oblast smyčky musí být minimalizována, protože indukované napětí je úměrné oblasti smyčky. To je snadné, když je kabeláž zkroucená.
Na deskách s plošnými spoji by měly být přívodní a zpětné cesty blízko sebe. Malé změny zapojení často minimalizují dopad, viz zdroj A spojený s nízkoenergetickou smyčkou B.
Zmenšení oblasti smyčky nebo zvětšení vzdálenosti mezi spojovacími smyčkami minimalizuje účinek. Oblast smyčky je obvykle zmenšena na minimum a vzdálenost mezi spojovacími smyčkami je maximalizována. Magnetické stínění je někdy vyžadováno, ale je drahé a náchylné k mechanickému selhání, proto se mu vyhněte.
11. Otázka: V Q&A for Application Engineers je často zmiňováno neideální chování integrovaných obvodů. Mělo by být snazší používat jednoduché součásti, jako jsou odpory. Vysvětlete blízkost ideálních komponent.
Odpověď: Chci, aby byl odpor ideálním zařízením, ale krátký válec na vedení rezistoru funguje přesně jako čistý odpor. Vlastní odpor také obsahuje imaginární odporovou složku – složku reaktance. Většina odporů má malou kapacitu (typicky 1 až 3 pF) souběžně s jejich odporem. Ačkoli některé filmové rezistory, řezání šroubovicových drážek v jejich odporových filmech je většinou indukční, jejich indukční reaktance je desítky nebo stovky nahen (nH). Odpory vinuté vodičem jsou samozřejmě obecně spíše indukční než kapacitní (alespoň při nízkých frekvencích). Koneckonců, drátové rezistory jsou vyrobeny z cívek, takže není neobvyklé, že drátové vinuté rezistory mají indukčnost několik mikrohm (μH) nebo desítky mikrohm, nebo dokonce takzvané „neindukční“ drátové rezistory (kde polovina cívek je navinuta ve směru hodinových ručiček a druhá polovina proti směru hodinových ručiček). Takže indukčnost produkovaná dvěma polovinami cívky se navzájem ruší) má také 1μH nebo více zbytkové indukčnosti. U vysoce hodnotných drátových rezistorů nad přibližně 10 k ω jsou zbývající rezistory většinou kapacitní spíše než indukční a kapacita je až 10 pF, vyšší než u standardních tenkých vrstev nebo syntetických rezistorů. Tuto reaktanci je třeba pečlivě zvážit při navrhování vysokofrekvenčních obvodů obsahujících odpory.
Otázka: Ale mnoho obvodů, které popisujete, se používá k přesnému měření při stejnosměrných nebo velmi nízkých frekvencích. Toulavé induktory a bloudivé kondenzátory jsou v těchto aplikacích irelevantní, že?
A: ano. Protože tranzistory (diskrétní i v rámci integrovaných obvodů) mají velmi široké šířky pásma, mohou oscilace někdy nastat ve stovkách nebo tisících megahertzových pásmech, když obvod končí indukční zátěží. Offsetové a rektifikační akce spojené s oscilacemi mají špatný vliv na přesnost a stabilitu nízkých frekvencí.
Horší je, že oscilace nemusí být na osciloskopu viditelné buď proto, že šířka pásma osciloskopu je příliš malá ve srovnání s šířkou pásma měřených vysokofrekvenčních oscilací, nebo proto, že nabíjecí kapacita sondy osciloskopu je dostatečná k zastavení oscilací. Nejlepší metodou je použít širokopásmový analyzátor spektra (od nízké frekvence do 1–5 GHz výše) ke kontrole parazitických oscilací v systému. Tuto kontrolu je třeba provést, když se vstup mění v celém dynamickém rozsahu, protože parazitní oscilace se někdy vyskytují ve velmi úzkém rozsahu vstupního pásma.
Otázka: Existují nějaké dotazy ohledně rezistorů?
Odpověď: Odpor rezistoru není pevný, ale mění se podle teploty. Teplotní koeficient (TC) se pohybuje od několika PPM /° C (miliontiny na stupeň Celsia) do několika tisíc PPM /° C. Nejstabilnějšími odpory jsou drátové nebo kovové filmové rezistory a nejhorší jsou syntetické uhlíkové filmové rezistory.
Někdy mohou být užitečné velké teplotní koeficienty (odpor +3500 ppm/ ° C lze použít ke kompenzaci kT/ Q v rovnici charakteristické pro spojovací diodu, jak již bylo zmíněno v Q&AS pro aplikační inženýry). Ale obecně odpor s teplotou může být zdrojem chyb v přesných obvodech.
Pokud přesnost obvodu závisí na shodě dvou rezistorů s různými teplotními koeficienty, pak bez ohledu na to, jak dobře sladěné při jedné teplotě, nebude odpovídat druhé. I když se teplotní koeficienty dvou rezistorů shodují, neexistuje žádná záruka, že zůstanou na stejné teplotě. Vlastní teplo generované vnitřní spotřebou energie nebo externím teplem přenášeným ze zdroje tepla v systému může způsobit teplotní nesoulad, což vede k odporu. I vysoce kvalitní drátové nebo kovové filmové odpory mohou mít teplotní nesoulad stovek (nebo dokonce tisíců) PPM / ℃. Zjevným řešením je použít dva odpory postavené tak, aby byly oba velmi blízko stejné matici, takže přesnost systému bude vždy dobře sladěna. Substrátem mohou být křemíkové oplatky, které simulují přesné integrované obvody, skleněné oplatky nebo kovové fólie. Bez ohledu na substrát se dva odpory během výroby dobře shodují, mají dobře sladěné teplotní koeficienty a jsou téměř na stejné teplotě (protože jsou tak blízko).