Leiterplatte schwierige Probleme und Lösungen

F: Wie bereits bei einfachen Widerständen erwähnt, muss es einige Widerstände geben, deren Leistung genau unseren Erwartungen entspricht. Was passiert mit dem Widerstand eines Drahtabschnitts?
A: Die Situation ist anders. Vermutlich beziehen Sie sich auf einen Draht oder ein leitfähiges Band in einer Leiterplatte, das als Draht fungiert. Da Supraleiter bei Raumtemperatur noch nicht verfügbar sind, wirkt jede Metalldrahtlänge als niederohmiger Widerstand (der auch als Kondensator und Induktivität wirkt) und seine Wirkung auf die Schaltung muss berücksichtigt werden.
2. F: Der Widerstand eines sehr kurzen Kupferdrahtes in einem Kleinsignalkreis muss nicht wichtig sein?
A: Betrachten wir einen 16-Bit-ADC mit einer Eingangsimpedanz von 5k ω. Angenommen, die Signalleitung zum ADC-Eingang besteht aus einer typischen Leiterplatte (0.038 mm dick, 0.25 mm breit) mit einem leitfähigen Band von 10 cm Länge. Es hat einen Widerstand von etwa 0.18 ω bei Raumtemperatur, was etwas weniger als 5K ω × 2 × 2-16 beträgt und einen Verstärkungsfehler von 2 LSB bei vollem Grad erzeugt.
Dieses Problem kann wohl gemildert werden, wenn das leitfähige Band der gedruckten Leiterplatte, wie es bereits ist, breiter gemacht wird. Bei analogen Schaltungen ist es im Allgemeinen vorzuziehen, ein breiteres Band zu verwenden, aber viele PCB-Designer (und PCB-Designer) ziehen es vor, eine minimale Bandbreite zu verwenden, um die Platzierung der Signalleitungen zu erleichtern. Zusammenfassend ist es wichtig, den Widerstand des leitfähigen Bandes zu berechnen und seine Rolle bei allen möglichen Problemen zu analysieren.
3. F: Gibt es ein Problem mit der Kapazität des leitfähigen Bandes mit zu großer Breite und der Metallschicht auf der Rückseite der gedruckten Leiterplatte?
A: Es ist eine kleine Frage. Obwohl die Kapazität des leitfähigen Bandes der gedruckten Leiterplatte wichtig ist (auch bei niederfrequenten Schaltungen, die hochfrequente parasitäre Schwingungen erzeugen können), sollte sie immer zuerst geschätzt werden. Wenn dies nicht der Fall ist, ist selbst ein breites leitfähiges Band, das eine große Kapazität bildet, kein Problem. Bei Problemen kann ein kleiner Bereich der Masseplatte entfernt werden, um die Kapazität zur Erde zu reduzieren.
F: Lassen Sie diese Frage für einen Moment stehen! Was ist die Erdungsebene?
A: Wenn Kupferfolie auf der gesamten Seite einer gedruckten Leiterplatte (oder der gesamten Zwischenschicht einer mehrschichtigen Leiterplatte) zur Erdung verwendet wird, dann nennen wir dies eine Erdungsebene. Jeder Erdungsdraht muss mit dem kleinstmöglichen Widerstand und der kleinstmöglichen Induktivität verlegt werden. Wenn ein System eine Erdungsebene verwendet, ist es weniger wahrscheinlich, dass es durch Erdungsrauschen beeinträchtigt wird. Darüber hinaus hat die Erdungsebene auch die Funktion der Abschirmung und Kühlung
F: Die hier erwähnte Erdungsebene ist für Hersteller schwierig, oder?
A: Vor 20 Jahren gab es einige Probleme. Aufgrund der Verbesserung der Binder-, Lötbeständigkeit und der Wellenlöttechnologie bei Leiterplatten ist die Herstellung von Erdungsflächen heute zu einem Routinebetrieb von Leiterplatten geworden.
F: Sie sagten, dass die Möglichkeit, ein System durch die Verwendung einer Masseplatte Erdrauschen auszusetzen, sehr gering ist. Was bleibt vom Grundrauschproblem, das nicht gelöst werden kann?
A: Die Grundschaltung eines geerdeten Rauschsystems hat eine Masseebene, aber ihr Widerstand und ihre Induktivität sind nicht Null – wenn die externe Stromquelle stark genug ist, beeinflusst sie präzise Signale. Dieses Problem kann minimiert werden, indem die Leiterplatten richtig angeordnet werden, so dass kein hoher Strom in Bereiche fließt, die die Erdungsspannung von Präzisionssignalen beeinflussen. Manchmal kann eine Unterbrechung oder ein Schlitz in der Erdungsebene einen großen Erdungsstrom aus dem empfindlichen Bereich ableiten, aber eine gewaltsame Änderung der Erdungsebene kann auch das Signal in den empfindlichen Bereich umleiten, daher muss eine solche Technik mit Vorsicht angewendet werden.
F: Woher weiß ich den Spannungsabfall, der auf einer geerdeten Ebene erzeugt wird?
A: Normalerweise kann der Spannungsabfall gemessen werden, aber manchmal können Berechnungen basierend auf dem Widerstand des Materials in der Erdungsebene (eine nominale 1 Unze Kupfer hat einen Widerstand von 045m ω /□) und der Länge des angestellt werden leitfähiges Band, durch das der Strom fließt, obwohl Berechnungen kompliziert sein können. Spannungen im DC- bis Niederfrequenzbereich (50 kHz) können mit Instrumentenverstärkern wie AMP02 oder AD620 gemessen werden.
Die Verstärkung des Verstärkers wurde auf 1000 eingestellt und an ein Oszilloskop mit einer Empfindlichkeit von 5 mV/div angeschlossen. Der Verstärker kann von derselben Stromquelle wie die zu testende Schaltung oder von seiner eigenen Stromquelle versorgt werden. Wenn jedoch die Verstärkermasse von seiner Strombasis getrennt ist, muss das Oszilloskop an die Strombasis des verwendeten Stromkreises angeschlossen werden.
Der Widerstand zwischen zwei beliebigen Punkten auf der Masseebene kann gemessen werden, indem eine Sonde an den beiden Punkten hinzugefügt wird. Die Kombination aus Verstärkerverstärkung und Oszilloskopempfindlichkeit ermöglicht eine Messempfindlichkeit von 5μV/div. Rauschen vom Verstärker erhöht die Breite der Oszilloskop-Wellenformkurve um etwa 3 μV, aber es ist immer noch möglich, eine Auflösung von etwa 1 μV zu erreichen – genug, um das meiste Grundrauschen mit einer Zuverlässigkeit von bis zu 80 % zu unterscheiden.
F: Was ist bei der obigen Testmethode zu beachten?
A: Jedes magnetische Wechselfeld induziert eine Spannung an der Sondenleitung, die getestet werden kann, indem die Sonden miteinander kurzgeschlossen (und einen Ablenkpfad zum Erdungswiderstand bereitgestellt) und die Oszilloskopwellenform beobachtet werden. Die beobachtete AC-Wellenform ist auf Induktion zurückzuführen und kann minimiert werden, indem die Position der Elektrode geändert oder versucht wird, das Magnetfeld zu eliminieren. Außerdem ist darauf zu achten, dass die Erdung des Verstärkers mit der Erdung des Systems verbunden ist. Wenn der Verstärker über diesen Anschluss verfügt, gibt es keinen Ablenkungsrückweg und der Verstärker funktioniert nicht. Die Erdung sollte auch sicherstellen, dass die verwendete Erdungsmethode die Stromverteilung des zu prüfenden Stromkreises nicht beeinträchtigt.
F: Wie misst man das hochfrequente Erdungsrauschen?
A: Es ist schwierig, HF-Erdrauschen mit einem geeigneten Breitband-Instrumentenverstärker zu messen, daher sind HF- und VHF-Passivsonden geeignet. Es besteht aus einem Ferrit-Magnetring (Außendurchmesser von 6 ~ 8 mm) mit zwei Spulen mit je 6 ~ 10 Windungen. Um einen Hochfrequenz-Trenntransformator zu bilden, wird eine Spule mit dem Eingang des Spektrumanalysators und die andere mit der Sonde verbunden.
Das Testverfahren ähnelt dem Niederfrequenzfall, der Spektrumanalysator verwendet jedoch Amplituden-Frequenz-Kennlinien, um das Rauschen darzustellen. Im Gegensatz zu Eigenschaften im Zeitbereich können Rauschquellen leicht anhand ihrer Frequenzeigenschaften unterschieden werden. Außerdem ist die Empfindlichkeit des Spektrumanalysators mindestens 60dB höher als die des Breitbandoszilloskops.
F: Was ist mit der Induktivität eines Drahtes?
A: Die Induktivität von Leitern und leitfähigen Leiterplattenbändern kann bei höheren Frequenzen nicht ignoriert werden. Um die Induktivität eines geraden Drahtes und eines leitenden Bandes zu berechnen, werden hier zwei Näherungen eingeführt.
Ein leitfähiges Band von 1 cm Länge und 0.25 mm Breite bildet beispielsweise eine Induktivität von 10 nH.
Leiterinduktivität = 0.0002LLN2LR-0.75 μH
Zum Beispiel beträgt die Induktivität eines 1 cm langen Drahtes mit 0.5 mm Außendurchmesser 7.26 nh (2R = 0.5 mm, L = 1 cm).
Leitbandinduktivität = 0.0002LLN2LW +H+0.2235W+HL+0.5μH
Zum Beispiel beträgt die Induktivität des 1 cm breiten, 0.25 mm dicken Leiterbandes der Leiterplatte 9.59 nh (H = 0.038 mm, B = 0.25 mm, L = 1 cm).
Die induktive Reaktanz ist jedoch normalerweise viel kleiner als der parasitäre Fluss und die induzierte Spannung des unterbrochenen Induktionskreises. Die Schleifenfläche muss minimiert werden, da die induzierte Spannung proportional zur Schleifenfläche ist. Dies ist bei einer Twisted-Pair-Verdrahtung einfach zu bewerkstelligen.
Bei Leiterplatten sollten die Vor- und Rückwege nahe beieinander liegen. Kleine Änderungen an der Verkabelung minimieren oft die Auswirkungen, siehe Quelle A gekoppelt an Niederenergieschleife B.
Durch Verkleinern der Schleifenfläche oder Vergrößern des Abstands zwischen den Kopplungsschleifen wird der Effekt minimiert. Üblicherweise wird die Schlaufenfläche auf ein Minimum reduziert und der Abstand zwischen den Koppelschlaufen maximiert. Magnetische Abschirmung ist manchmal erforderlich, aber teuer und anfällig für mechanische Fehler, also vermeiden Sie sie.
11. F: In Fragen und Antworten für Anwendungsingenieure wird oft das nicht ideale Verhalten integrierter Schaltungen erwähnt. Es sollte einfacher sein, einfache Komponenten wie Widerstände zu verwenden. Erklären Sie die Nähe idealer Komponenten.
A: Ich möchte nur, dass ein Widerstand ein ideales Gerät ist, aber der kurze Zylinder an der Leitung eines Widerstands verhält sich genau wie ein reiner Widerstand. Der tatsächliche Widerstand enthält auch die imaginäre Widerstandskomponente – die Reaktanzkomponente. Die meisten Widerstände haben eine kleine Kapazität (typischerweise 1 bis 3pF) parallel zu ihrem Widerstand. Obwohl das Schneiden von spiralförmigen Nuten in ihren Widerstandsschichten bei einigen Filmwiderständen meist induktiv ist, beträgt ihre induktive Reaktanz einige Dutzend oder Hunderte von Nahen (nH). Natürlich sind drahtgewickelte Widerstände im Allgemeinen eher induktiv als kapazitiv (zumindest bei niedrigen Frequenzen). Drahtwiderstände bestehen schließlich aus Spulen, daher kommt es nicht selten vor, dass Drahtwiderstände Induktivitäten von mehreren Mikrohm (μH) oder mehreren zehn Mikrohm aufweisen, oder sogar sogenannte „nicht induktive“ Drahtwiderstände (wobei die Hälfte der Spulen im Uhrzeigersinn und die andere Hälfte gegen den Uhrzeigersinn gewickelt wird). Damit sich die von den beiden Spulenhälften erzeugte Induktivität gegenseitig aufhebt) hat auch eine Restinduktivität von 1μH oder mehr. Bei hochwertigen drahtgewickelten Widerständen über etwa 10 kω sind die restlichen Widerstände meist kapazitiv und nicht induktiv, und die Kapazität ist bis zu 10 pF höher als die von Standard-Dünnschicht- oder synthetischen Widerständen. Diese Reaktanz muss beim Entwurf von Hochfrequenzschaltungen mit Widerständen sorgfältig berücksichtigt werden.
F: Aber viele der von Ihnen beschriebenen Schaltungen werden für präzise Messungen bei Gleichstrom oder sehr niedrigen Frequenzen verwendet. Streuinduktivitäten und Streukondensatoren sind in diesen Anwendungen irrelevant, oder?
Antwort: Ja. Da Transistoren (sowohl diskrete als auch in integrierten Schaltungen) sehr große Bandbreiten aufweisen, können manchmal Schwingungen in den Hunderten oder Tausenden von Megahertz-Bändern auftreten, wenn die Schaltung mit einer induktiven Last endet. Die mit Schwingungen verbundenen Offset- und Gleichrichtungsaktionen haben schlechte Auswirkungen auf die Genauigkeit und Stabilität der Niederfrequenz.
Schlimmer noch, die Schwingungen sind auf einem Oszilloskop möglicherweise nicht sichtbar, weil entweder die Bandbreite des Oszilloskops im Vergleich zur Bandbreite der gemessenen Hochfrequenzschwingungen zu gering ist oder weil die Ladungskapazität des Oszilloskop-Tastkopfs ausreicht, um die Schwingungen zu stoppen. Die beste Methode ist die Verwendung eines Breitband-Spektrumanalysators (Niederfrequenz bis 15 GHz oben), um das System auf parasitäre Schwingungen zu überprüfen. Diese Überprüfung sollte durchgeführt werden, wenn der Eingang über den gesamten Dynamikbereich variiert, da parasitäre Schwingungen manchmal in einem sehr engen Bereich des Eingangsbandes auftreten.
F: Gibt es Fragen zu Widerständen?
A: Der Widerstandswert eines Widerstands ist nicht festgelegt, sondern variiert mit der Temperatur. Der Temperaturkoeffizient (TC) variiert von wenigen PPM /°C (Millionstel pro Grad Celsius) bis zu mehreren Tausend PPM /°C. Die stabilsten Widerstände sind drahtgewickelte oder Metallschichtwiderstände und die schlechtesten sind synthetische Kohleschichtwiderstände.
Große Temperaturkoeffizienten können manchmal nützlich sein (ein Widerstand von +3500 ppm/°C kann verwendet werden, um kT/Q in der charakteristischen Gleichung der Sperrschichtdiode zu kompensieren, wie zuvor in Fragen und Antworten für Anwendungstechniker erwähnt). Aber im Allgemeinen kann der Temperaturwiderstand in Präzisionsschaltungen eine Fehlerquelle sein.
Wenn die Genauigkeit der Schaltung von der Übereinstimmung zweier Widerstände mit unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten abhängt, wird sie bei einer Temperatur nicht übereinstimmen, egal wie gut sie bei der anderen angepasst ist. Auch wenn die Temperaturkoeffizienten von zwei Widerständen übereinstimmen, gibt es keine Garantie dafür, dass sie die gleiche Temperatur behalten. Eigenwärme, die durch den internen Stromverbrauch oder externe Wärme, die von einer Wärmequelle im System übertragen wird, erzeugt wird, kann Temperaturunterschiede verursachen, die zu Widerstand führen. Selbst hochwertige Draht- oder Metallschichtwiderstände können Temperaturfehlanpassungen von Hunderten (oder sogar Tausenden) PPM / aufweisen. Die naheliegende Lösung besteht darin, zwei Widerstände zu verwenden, die so gebaut sind, dass sie beide sehr nahe an der gleichen Matrix liegen, damit die Genauigkeit des Systems jederzeit gut angepasst ist. Das Substrat können Siliziumwafer sein, die präzise integrierte Schaltkreise simulieren, Glaswafer oder Metallfilme. Unabhängig vom Substrat passen die beiden Widerstände während der Herstellung gut zusammen, haben gut angepasste Temperaturkoeffizienten und haben fast die gleiche Temperatur (weil sie so nah beieinander liegen).