Printkort vanskelige problemer og løsninger

Q: Som nævnt tidligere om simple modstande, skal der være nogle modstande, hvis ydeevne er præcis, hvad vi forventer. Hvad sker der med modstanden i et ledningssnit?
A: Situationen er en anden. Formentlig refererer du til en ledning eller et ledende bånd i et printkort, der fungerer som en ledning. Da superledere ved stuetemperatur endnu ikke er tilgængelige, fungerer enhver længde af metaltråd som en lavmodstandsmodstand (som også fungerer som kondensator og induktor), og dens virkning på kredsløbet skal overvejes.
2. Sp .: Modstanden af ​​en meget kort kobbertråd i et lille signalkredsløb må ikke være vigtig?
A: lad os overveje en 16-bit ADC med en inputimpedans på 5k ω. Antag, at signallinjen til ADC -indgangen består af et typisk printkort (0.038 mm tykt, 0.25 mm bredt) med et ledende bånd på 10 cm i længden. Den har en modstand på ca. 0.18 ω ved stuetemperatur, hvilket er lidt mindre end 5K ω × 2 × 2-16 og producerer en forstærkningsfejl på 2LSB i fuld grad.
Dette problem kan uden tvivl afhjælpes, hvis det ledende bånd på PRINTED -kredsløbskortet, som det allerede er, gøres bredere. I analoge kredsløb er det generelt at foretrække at bruge et bredere bånd, men mange PCB -designere (og PCB -designere) foretrækker at bruge en minimumsbåndbredde for at lette placering af signallinjer. Afslutningsvis er det vigtigt at beregne det ledende bånds modstand og analysere dets rolle i alle mulige problemer.
3. Spørgsmål: Er der et problem med kapacitansen af ​​det ledende bånd med for stor bredde og metallaget på bagsiden af ​​det PRINTED printkort?
A: Det er et lille spørgsmål. Selvom kapacitans fra det ledende bånd på PRINTED-kredsløbskortet er vigtigt (selv for lavfrekvente kredsløb, der kan producere højfrekvente parasitære svingninger), bør det altid estimeres først. Hvis dette ikke er tilfældet, er selv et bredt ledende bånd, der danner en stor kapacitans, ikke et problem. Hvis der opstår problemer, kan et lille område af jordplanet fjernes for at reducere kapacitansen til jorden.
Q: Forlad dette spørgsmål et øjeblik! Hvad er jordingsplanet?
A: Hvis kobberfolie på hele siden af ​​et PRINTED printkort (eller hele mellemlaget på et flerlags printkort) bruges til jordforbindelse, så er det det, vi kalder et jordingsplan. Enhver jordledning skal arrangeres med den mindst mulige modstand og induktans. Hvis et system bruger et jordingsplan, er det mindre sandsynligt, at det påvirkes af jordstøj. Derudover har jordingsplanet også funktionen afskærmning og afkøling
Q: Det jordfæstningsplan, der er nævnt her, er svært for producenterne, ikke?
A: Der var nogle problemer for 20 år siden. På grund af forbedringen af ​​bindemiddel, loddemodstand og bølgelodningsteknologi i printkort er fremstilling af jordingsplan blevet en rutinemæssig drift af printkort.
Q: Du sagde, at muligheden for at udsætte et system for jordstøj ved hjælp af et jordplan er meget lille. Hvad er der tilbage af jordstøjproblemet, der ikke kan løses?
A: Grundkredsløbet for et jordet støjsystem har et jordplan, men dets modstand og induktans er ikke nul – hvis den eksterne strømkilde er stærk nok, vil det påvirke præcise signaler. Dette problem kan minimeres ved korrekt at placere printkortene, så høj strøm ikke strømmer til områder, der påvirker præcisionssignalernes jordspænding. Nogle gange kan et brud eller slids i jordplanet aflede en stor jordingsstrøm fra det følsomme område, men tvangsændring af jordplanet kan også aflede signalet til det følsomme område, så en sådan teknik skal bruges med forsigtighed.
Sp .: Hvordan ved jeg spændingsfaldet, der genereres på et jordet plan?
A: Normalt kan spændingsfaldet måles, men nogle gange kan der foretages beregninger baseret på materialets modstand i jordingsplanet (en nominel 1 ounce kobber har en modstand på 045m ω /□) og længden af ledende bånd, som strømmen passerer igennem, selvom beregninger kan være komplicerede. Spændinger i området DC til lavfrekvens (50 kHz) kan måles med instrumentforstærkere som AMP02 eller AD620.
Forstærkerforstærkningen blev indstillet til 1000 og forbundet til et oscilloskop med en følsomhed på 5mV/div. Forstærkeren kan leveres fra den samme strømkilde som det testede kredsløb eller fra sin egen strømkilde. Men hvis forstærkerens jord er adskilt fra dets effektbase, skal oscilloskopet forbindes til effektbasen i det anvendte effektkredsløb.
Modstanden mellem to punkter på jordplanet kan måles ved at tilføje en sonde til de to punkter. Kombinationen af ​​forstærkerforstærkning og oscilloskopfølsomhed gør, at målefølsomheden kan nå 5μV/div. Støj fra forstærkeren øger bredden af ​​oscilloskopets kurveformkurve med cirka 3μV, men det er stadig muligt at opnå en opløsning på ca. 1μV – nok til at skelne mest jordstøj med op til 80% tillid.
Q: Hvad skal bemærkes om ovenstående testmetode?
A: Ethvert skiftevis magnetisk felt vil fremkalde en spænding på sondeledningen, som kan testes ved at kortslutte sonderne til hinanden (og tilvejebringe en afbøjningsvej til jordmodstanden) og observere oscilloskopets bølgeform. Den observerede AC -bølgeform skyldes induktion og kan minimeres ved at ændre ledningens position eller ved at forsøge at fjerne magnetfeltet. Derudover er det nødvendigt at sikre, at forstærkerens jordforbindelse er forbundet med systemets jordforbindelse. Hvis forstærkeren har denne forbindelse, er der ingen afbøjningsreturbane, og forstærkeren fungerer ikke. Jordforbindelse bør også sikre, at den anvendte jordingsmetode ikke forstyrrer strømfordelingen af ​​det testede kredsløb.
Q: Hvordan måles højfrekvent jordstøj?
A: Det er svært at måle hf -støj med en passende bredbåndsinstrumenteringsforstærker, så passive hf- og VHF -prober er passende. Den består af en ferritmagnetisk ring (ydre diameter på 6 ~ 8 mm) med to spoler på 6-10 omdrejninger hver. For at danne en højfrekvent isolationstransformator er en spole forbundet til spektrumanalysatorindgangen og den anden til sonden.
Testmetoden ligner lavfrekvensetuiet, men spektrumanalysatoren anvender amplitude-frekvens karakteristiske kurver til at repræsentere støj. I modsætning til tidsdomæneegenskaber kan støjkilder let skelnes ud fra deres frekvenskarakteristika. Derudover er spektrumanalysatorens følsomhed mindst 60dB højere end bredbåndsoscilloskopets.
Q: Hvad med induktansen af ​​en ledning?
A: Induktans af ledere og PCB -ledende bånd kan ikke ignoreres ved højere frekvenser. For at beregne induktansen af ​​en lige ledning og et ledende bånd introduceres to tilnærmelser her.
For eksempel danner et ledende bånd 1 cm langt og 0.25 mm bredt en induktans på 10nH.
Lederinduktans = 0.0002LLN2LR-0.75 μH
For eksempel er induktansen af ​​en 1 cm lang 0.5 mm ydre diametertråd 7.26 nh (2R = 0.5 mm, L = 1 cm)
Ledende bånds induktans = 0.0002LLN2LW+H+0.2235W+HL+0.5μH
For eksempel er induktansen af ​​det 1 cm brede 0.25 mm printede printkort ledende bånd 9.59nh (H = 0.038 mm, W = 0.25 mm, L = 1 cm).
Den induktive reaktans er imidlertid sædvanligvis meget mindre end den parasitære flux og inducerede spænding for det indskårne induktive kredsløb. Løkkeområdet skal minimeres, fordi den inducerede spænding er proportional med loopområdet. Dette er let at gøre, når ledninger er snoet par.
I printkort skal lednings- og returveje ligge tæt sammen. Små ledningsændringer minimerer ofte påvirkningen, se kilde A koblet til lavenergisløjfe B.
At reducere sløjfeområdet eller øge afstanden mellem koblingssløjferne minimerer effekten. Sløjfeområdet reduceres normalt til et minimum, og afstanden mellem koblingssløjferne maksimeres. Magnetisk afskærmning er undertiden påkrævet, men er dyr og tilbøjelig til mekanisk svigt, så undgå det.
11. Sp .: I spørgsmål og svar til applikationsingeniører nævnes ofte ikke-ideel adfærd for integrerede kredsløb. Det skal være lettere at bruge enkle komponenter, f.eks. Modstande. Forklar nærheden af ​​ideelle komponenter.
A: Jeg vil bare have en modstand til at være en ideel enhed, men den korte cylinder i spidsen af ​​en modstand fungerer nøjagtigt som en ren modstand. Den faktiske modstand indeholder også den imaginære modstandskomponent – reaktanskomponenten. De fleste modstande har en lille kapacitans (typisk 1 til 3pF) parallelt med deres modstand. Selvom nogle filmmodstande er spiralformet skæring i deres resistive film for det meste induktiv, er deres induktive reaktans titalls eller hundredvis af nahen (nH). Selvfølgelig er trådsvikede modstande generelt induktive snarere end kapacitive (i hvert fald ved lave frekvenser). Når alt kommer til alt, er tråd-viklede modstande fremstillet af spoler, så det er ikke ualmindeligt, at tråd-viklede modstande har induktanser på flere mikrohm (μH) eller snesevis af mikrohm eller endda såkaldte “ikke-induktive” tråd-sårmodstande (hvor halvdelen af ​​spolerne er viklet med uret og den anden halvdel mod uret). Således at induktansen produceret af de to halvdele af spolen annullerer hinanden) har også 1μH eller mere restinduktans. For trådsviklede modstande af høj værdi over ca. 10k ω er de resterende modstande for det meste kapacitive snarere end induktive, og kapacitansen er op til 10pF, højere end for standard tyndfilm eller syntetiske modstande. Denne reaktans skal overvejes nøje ved design af højfrekvente kredsløb, der indeholder modstande.
Sp: Men mange af de kredsløb, du beskriver, bruges til præcise målinger ved jævnstrøm eller meget lave frekvenser. Stray induktorer og vildfarne kondensatorer er irrelevante i disse applikationer, ikke?
A: ja. Fordi transistorer (både diskrete og inden for integrerede kredsløb) har meget brede båndbredder, kan der undertiden forekomme svingninger i hundredvis eller tusinder af megahertz -bånd, når kredsløbet ender med en induktiv belastning. Offset- og udbedringshandlingerne forbundet med svingninger har dårlige virkninger på lavfrekvensnøjagtighed og stabilitet.
Værre er det, at svingningerne måske ikke er synlige på et oscilloskop, heller ikke fordi oscilloskopets båndbredde er for lav i forhold til båndbredden af ​​de højfrekvente svingninger, der måles, eller fordi oscilloskopprobens ladningskapacitet er tilstrækkelig til at standse svingningerne. Den bedste metode er at bruge et bredbånd (lav frekvens til 15GHz ovenfor) spektrumanalysator til at kontrollere systemet for parasitære svingninger. Denne kontrol bør udføres, når input varierer over hele det dynamiske område, fordi parasitære svingninger undertiden forekommer i et meget snævert område af inputbåndet.
Spørgsmål: Er der spørgsmål om modstande?
A: Modstanden i en modstand er ikke fast, men varierer med temperaturen. Temperaturkoefficienten (TC) varierer fra få PPM /° C (milliontedele pr. Grad Celsius) til flere tusinde PPM /° C. De mest stabile modstande er trådviklede eller metalfilmmodstande, og de værste er syntetiske carbonfilmmodstande.
Store temperaturkoefficienter kan nogle gange være nyttige (en +3500ppm/ ° C modstand kan bruges til at kompensere for kT/ Q i krydsdiodens karakteristiske ligning, som tidligere nævnt i Q&AS for Application Engineers). Men generelt kan modstand med temperatur være en fejlkilde i præcisionskredsløb.
Hvis kredsløbets præcision afhænger af matchet mellem to modstande med forskellige temperaturkoefficienter, så uanset hvor godt matchet ved den ene temperatur, vil det ikke matche ved den anden. Selvom temperaturkoefficienterne for to modstande matcher, er der ingen garanti for, at de forbliver ved den samme temperatur. Selvvarme, der genereres ved internt strømforbrug eller ekstern varme, der overføres fra en varmekilde i systemet, kan forårsage fejl i temperaturen, hvilket kan resultere i modstand. Selv trådspolede eller metalfilmmodstande af høj kvalitet kan have temperaturfejl på hundredvis (eller endda tusinder) PPM / ℃. Den oplagte løsning er at bruge to modstande bygget, så de begge er meget tæt på den samme matrix, så systemets nøjagtighed altid matches godt. Underlaget kan være siliciumskiver, der simulerer præcise integrerede kredsløb, glasskiver eller metalfilm. Uanset substrat matcher de to modstande godt under fremstilling, har veltilpassede temperaturkoefficienter og har næsten samme temperatur (fordi de er så tætte).