Τυπωμένου κυκλώματος δύσκολα προβλήματα και λύσεις

Ε: Όπως αναφέρθηκε νωρίτερα για απλές αντιστάσεις, πρέπει να υπάρχουν κάποιες αντιστάσεις των οποίων η απόδοση είναι ακριβώς αυτή που περιμένουμε. Τι συμβαίνει με την αντίσταση ενός τμήματος σύρματος;
Α: Η κατάσταση είναι διαφορετική. Πιθανότατα αναφέρεστε σε ένα καλώδιο ή μια αγώγιμη ταινία σε μια πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος που λειτουργεί ως σύρμα. Δεδομένου ότι οι υπεραγωγοί σε θερμοκρασία δωματίου δεν είναι ακόμη διαθέσιμοι, οποιοδήποτε μήκος μεταλλικού σύρματος λειτουργεί ως αντίσταση χαμηλής αντίστασης (που λειτουργεί επίσης ως πυκνωτής και επαγωγέας) και πρέπει να ληφθεί υπόψη η επίδρασή του στο κύκλωμα.
2. Ε: Η αντίσταση ενός πολύ κοντού χάλκινου σύρματος σε ένα μικρό κύκλωμα σήματος δεν πρέπει να είναι σημαντική;
Α: ας εξετάσουμε ένα ADC 16-bit με σύνθετη αντίσταση εισόδου 5k ω. Ας υποθέσουμε ότι η γραμμή σήματος στην είσοδο ADC αποτελείται από μια τυπική πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος (πάχους 0.038 mm, πλάτους 0.25 mm) με αγώγιμη ζώνη μήκους 10 cm. Έχει αντίσταση περίπου 0.18 ω σε θερμοκρασία δωματίου, η οποία είναι λίγο μικρότερη από 5Κ ω × 2 × 2-16 και παράγει σφάλμα κέρδους 2LSB σε πλήρη βαθμό.
Αναμφισβήτητα, αυτό το πρόβλημα μπορεί να μετριαστεί εάν, όπως είναι ήδη, η αγωγική ζώνη της ΕΚΤΥΠΩΜΕΝΗΣ πλακέτας κυκλώματος γίνει ευρύτερη. Σε αναλογικά κυκλώματα, είναι γενικά προτιμότερο να χρησιμοποιείται ευρύτερη ζώνη, αλλά πολλοί σχεδιαστές PCB (και σχεδιαστές PCB) προτιμούν να χρησιμοποιούν ένα ελάχιστο πλάτος ζώνης για να διευκολύνουν την τοποθέτηση της γραμμής σήματος. Εν κατακλείδι, είναι σημαντικό να υπολογιστεί η αντίσταση της αγώγιμης ζώνης και να αναλυθεί ο ρόλος της σε όλα τα πιθανά προβλήματα.
3. Ε: Υπάρχει πρόβλημα με τη χωρητικότητα της αγώγιμης ζώνης με πολύ μεγάλο πλάτος και το μεταλλικό στρώμα στο πίσω μέρος της ΕΚΤΥΠΩΜΕΝΗΣ πλακέτας κυκλώματος;
Α: Είναι μια μικρή ερώτηση. Παρόλο που η χωρητικότητα από την αγώγιμη ζώνη της ΤΥΠΩΜΕΝΗΣ πλακέτας είναι σημαντική (ακόμη και για κυκλώματα χαμηλής συχνότητας, τα οποία μπορούν να παράγουν παρασιτικές ταλαντώσεις υψηλής συχνότητας), θα πρέπει πάντα να εκτιμάται πρώτα. Εάν αυτό δεν συμβαίνει, ακόμη και μια μεγάλη αγώγιμη ζώνη που σχηματίζει μεγάλη χωρητικότητα δεν αποτελεί πρόβλημα. Εάν προκύψουν προβλήματα, μια μικρή περιοχή του επιπέδου γείωσης μπορεί να αφαιρεθεί για να μειωθεί η χωρητικότητα στη γη.
Ε: Αφήστε αυτήν την ερώτηση για λίγο! Τι είναι το αεροπλάνο γείωσης;
Α: Εάν χρησιμοποιείται φύλλο χαλκού σε ολόκληρη την πλευρά μιας ΕΚΤΥΠΩΜΕΝΗΣ πλακέτας κυκλώματος (ή ολόκληρου του ενδιάμεσου στρώματος μιας πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος πολλαπλών στρωμάτων), τότε αυτό είναι που λέμε επίπεδο γείωσης. Οποιοδήποτε σύρμα γείωσης θα είναι διατεταγμένο με τη μικρότερη δυνατή αντίσταση και επαγωγή. Εάν ένα σύστημα χρησιμοποιεί επίπεδο γείωσης, είναι λιγότερο πιθανό να επηρεαστεί από θόρυβο γείωσης. Επιπλέον, το επίπεδο γείωσης έχει επίσης τη λειτουργία θωράκισης και ψύξης
Ε: Το επίπεδο γείωσης που αναφέρεται εδώ είναι δύσκολο για τους κατασκευαστές, σωστά;
Α: Υπήρχαν κάποια προβλήματα πριν από 20 χρόνια. Σήμερα, λόγω της βελτίωσης της τεχνολογίας συνδετικού υλικού, της αντίστασης συγκόλλησης και της συγκόλλησης κυμάτων στους πίνακες τυπωμένων κυκλωμάτων, η κατασκευή επιπέδου γείωσης έχει γίνει μια συνηθισμένη λειτουργία των πλακών τυπωμένων κυκλωμάτων.
Ε: Είπατε ότι η πιθανότητα έκθεσης ενός συστήματος σε θόρυβο εδάφους με τη χρήση επιπέδου εδάφους είναι πολύ μικρή. Τι απομένει από το πρόβλημα του θορύβου στο έδαφος που δεν μπορεί να λυθεί;
Α: Το βασικό κύκλωμα ενός γειωμένου συστήματος θορύβου έχει επίπεδο γείωσης, αλλά η αντίσταση και η επαγωγή του δεν είναι μηδενικά – εάν η εξωτερική πηγή ρεύματος είναι αρκετά ισχυρή, θα επηρεάσει ακριβή σήματα. Αυτό το πρόβλημα μπορεί να ελαχιστοποιηθεί με σωστή διάταξη των πλακέτων τυπωμένων κυκλωμάτων, έτσι ώστε να μην ρέει υψηλό ρεύμα σε περιοχές που επηρεάζουν την τάση γείωσης των σημάτων ακριβείας. Μερικές φορές ένα σπάσιμο ή μια σχισμή στο επίπεδο γείωσης μπορεί να εκτρέψει ένα μεγάλο ρεύμα γείωσης από την ευαίσθητη περιοχή, αλλά η βίαιη αλλαγή του επιπέδου γείωσης μπορεί επίσης να εκτρέψει το σήμα στην ευαίσθητη περιοχή, οπότε μια τέτοια τεχνική πρέπει να χρησιμοποιείται με προσοχή.
Ε: Πώς γνωρίζω την πτώση τάσης που δημιουργείται σε γειωμένο επίπεδο;
Α: συνήθως μπορεί να μετρηθεί η πτώση τάσης, αλλά μερικές φορές μπορούν να γίνουν υπολογισμοί με βάση την αντίσταση του υλικού στο επίπεδο γείωσης (ονομαστική 1 ουγγιά χαλκού έχει αντίσταση 045m ω /□) και το μήκος του αγώγιμη ζώνη από την οποία περνά το ρεύμα, αν και οι υπολογισμοί μπορεί να είναι περίπλοκοι. Οι τάσεις στην περιοχή συνεχούς έως χαμηλής συχνότητας (50kHz) μπορούν να μετρηθούν με ενισχυτές οργάνων όπως AMP02 ή AD620.
Το κέρδος του ενισχυτή ορίστηκε στους 1000 και συνδέθηκε με έναν παλμογράφο με ευαισθησία 5mV/div. Ο ενισχυτής μπορεί να παρέχεται από την ίδια πηγή ισχύος με το υπό δοκιμή κύκλωμα ή από τη δική του πηγή ισχύος. Ωστόσο, εάν η γείωση του ενισχυτή διαχωριστεί από τη βάση ισχύος, ο παλμογράφος πρέπει να συνδεθεί στη βάση ισχύος του χρησιμοποιούμενου κυκλώματος ισχύος.
Η αντίσταση μεταξύ δύο σημείων στο επίπεδο γείωσης μπορεί να μετρηθεί προσθέτοντας έναν αισθητήρα στα δύο σημεία. Ο συνδυασμός κέρδους ενισχυτή και ευαισθησίας παλμογράφου επιτρέπει στην ευαισθησία μέτρησης να φτάσει τα 5μV/div. Ο θόρυβος από τον ενισχυτή θα αυξήσει το πλάτος της καμπύλης κυματομορφής παλμογράφου κατά περίπου 3μV, αλλά είναι ακόμα δυνατό να επιτευχθεί ανάλυση περίπου 1μV – αρκετά για να διακρίνει τον περισσότερο θόρυβο του εδάφους με έως και 80% εμπιστοσύνη.
Ε: Τι πρέπει να σημειωθεί σχετικά με την παραπάνω μέθοδο δοκιμής;
Α: Οποιοδήποτε εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο θα προκαλέσει τάση στο καλώδιο του αισθητήρα, η οποία μπορεί να δοκιμαστεί βραχυκυκλώνοντας τους αισθητήρες μεταξύ τους (και παρέχοντας μια διαδρομή εκτροπής στην αντίσταση του εδάφους) και παρατηρώντας την κυματομορφή του παλμογράφου. Η παρατηρούμενη κυματομορφή εναλλασσόμενου ρεύματος οφείλεται σε επαγωγή και μπορεί να ελαχιστοποιηθεί αλλάζοντας τη θέση του αγωγού ή προσπαθώντας να εξαλείψει το μαγνητικό πεδίο. Επιπλέον, είναι απαραίτητο να διασφαλιστεί ότι η γείωση του ενισχυτή συνδέεται με τη γείωση του συστήματος. Εάν ο ενισχυτής έχει αυτήν τη σύνδεση, δεν υπάρχει διαδρομή επιστροφής εκτροπής και ο ενισχυτής δεν θα λειτουργήσει. Η γείωση πρέπει επίσης να διασφαλίζει ότι η χρησιμοποιούμενη μέθοδος γείωσης δεν επηρεάζει την τρέχουσα κατανομή του υπό δοκιμή κυκλώματος.
Ε: Πώς να μετρήσετε τον θόρυβο γείωσης υψηλής συχνότητας;
Α: Είναι δύσκολο να μετρηθεί ο θόρυβος του εδάφους με έναν κατάλληλο ενισχυτή ευρυζωνικών οργάνων, οπότε οι παθητικοί ιχνηλάτες hf και VHF είναι κατάλληλοι. Αποτελείται από ένα μαγνητικό δακτύλιο φερρίτη (εξωτερική διάμετρος 6 ~ 8mm) με δύο πηνία 6 ~ 10 στροφών το καθένα. Για να σχηματιστεί ένας μετασχηματιστής απομόνωσης υψηλής συχνότητας, το ένα πηνίο συνδέεται με την είσοδο του αναλυτή φάσματος και το άλλο με τον αισθητήρα.
Η μέθοδος δοκιμής είναι παρόμοια με την περίπτωση χαμηλής συχνότητας, αλλά ο αναλυτής φάσματος χρησιμοποιεί χαρακτηριστικές καμπύλες πλάτους-συχνότητας για να αναπαραστήσει τον θόρυβο. Σε αντίθεση με τις ιδιότητες του πεδίου χρόνου, οι πηγές θορύβου μπορούν εύκολα να διακριθούν με βάση τα χαρακτηριστικά συχνότητάς τους. Επιπλέον, η ευαισθησία του αναλυτή φάσματος είναι τουλάχιστον 60dB υψηλότερη από εκείνη του ευρυζωνικού παλμογράφου.
Ε: Τι γίνεται με την επαγωγή ενός σύρματος;
Α: Η επαγωγή των αγωγών και των αγώγιμων ζωνών PCB δεν μπορεί να αγνοηθεί σε υψηλότερες συχνότητες. Για τον υπολογισμό της επαγωγής ενός ευθύγραμμου καλωδίου και μιας αγώγιμης ζώνης, εισάγονται εδώ δύο προσεγγίσεις.
Για παράδειγμα, μια αγώγιμη ζώνη μήκους 1cm και πλάτους 0.25mm θα σχηματίσει μια επαγωγή 10nH.
Επαγωγή αγωγού = 0.0002LLN2LR-0.75 μH
Για παράδειγμα, η επαγωγή ενός καλωδίου εξωτερικής διαμέτρου μήκους 1cm είναι 0.5nh (7.26R = 2mm, L = 0.5cm)
Επαγωγή αγώγιμης ζώνης = 0.0002LLN2LW+H+0.2235W+HL+0.5μH
Για παράδειγμα, η αυτεπαγωγή της αγώγιμης ζώνης πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος πλάτους 1cm είναι 0.25nh (H = 9.59mm, W = 0.038mm, L = 0.25cm).
Ωστόσο, η επαγωγική αντίδραση είναι συνήθως πολύ μικρότερη από την παρασιτική ροή και την επαγόμενη τάση του επαγωγικού κυκλώματος κοπής. Η περιοχή του βρόχου πρέπει να ελαχιστοποιηθεί επειδή η επαγόμενη τάση είναι ανάλογη με την περιοχή του βρόχου. Αυτό είναι εύκολο να γίνει όταν η καλωδίωση είναι στριμμένη.
Στις πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων, οι διαδρομές αγωγών και επιστροφής πρέπει να είναι κοντά μεταξύ τους. Οι μικρές αλλαγές καλωδίωσης συχνά ελαχιστοποιούν την πρόσκρουση, βλέπε πηγή Α σε συνδυασμό με βρόχο Β χαμηλής ενέργειας.
Η μείωση της περιοχής του βρόχου ή η αύξηση της απόστασης μεταξύ των βρόχων σύζευξης θα ελαχιστοποιήσει το αποτέλεσμα. Η περιοχή του βρόχου μειώνεται συνήθως στο ελάχιστο και η απόσταση μεταξύ των βρόχων ζεύξης μεγιστοποιείται. Μερικές φορές απαιτείται μαγνητική θωράκιση, αλλά είναι δαπανηρή και επιρρεπής σε μηχανική βλάβη, οπότε αποφύγετε το.
11. Ε: Στην Ε & Α για Μηχανικούς Εφαρμογών αναφέρεται συχνά η μη ιδανική συμπεριφορά των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Θα πρέπει να είναι ευκολότερο να χρησιμοποιείτε απλά εξαρτήματα όπως αντιστάσεις. Εξηγήστε την εγγύτητα των ιδανικών εξαρτημάτων.
Α: Απλώς θέλω μια αντίσταση να είναι μια ιδανική συσκευή, αλλά ο κοντός κύλινδρος στο προβάδισμα μιας αντίστασης λειτουργεί ακριβώς όπως μια καθαρή αντίσταση. Η πραγματική αντίσταση περιέχει επίσης το φανταστικό συστατικό αντίστασης – το συστατικό της αντίδρασης. Οι περισσότερες αντιστάσεις έχουν μικρή χωρητικότητα (τυπικά 1 έως 3pF) παράλληλα με την αντίστασή τους. Αν και ορισμένες αντιστάσεις φιλμ, η κοπή των ελικοειδών αυλακώσεων στα φιλμ αντίστασης τους είναι ως επί το πλείστον επαγωγική, η επαγωγική αντίδρασή τους είναι δεκάδες ή εκατοντάδες nahen (nH). Φυσικά, οι αντιστάσεις στο συρμάτινο τραύμα είναι γενικά επαγωγικές και όχι χωρητικές (τουλάχιστον σε χαμηλές συχνότητες). Εξάλλου, οι αντιστάσεις με συρματόσχοινο είναι κατασκευασμένες από πηνία, επομένως δεν είναι ασυνήθιστο για αντιστάσεις με συρματόσχοινο να έχουν επαγωγές πολλών μικρομέτρων (μH) ή δεκάδων μικρομέτρων, ή ακόμη και τις αποκαλούμενες «μη επαγωγικές» αντιστάσεις καλωδίων (όπου τα μισά πηνία τυλίγονται δεξιόστροφα και τα άλλα μισά αριστερόστροφα). Έτσι, η επαγωγή που παράγεται από τα δύο μισά του πηνίου ακυρώνει το ένα το άλλο) έχει επίσης 1μH ή περισσότερο υπολειμματικής επαγωγής. Για αντιστάσεις καλωδίων υψηλής αξίας άνω των περίπου 10k ω, οι υπόλοιπες αντιστάσεις είναι κυρίως χωρητικές και όχι επαγωγικές, και η χωρητικότητα είναι έως 10pF, υψηλότερη από αυτή των τυπικών λεπτών υμενίων ή συνθετικών αντιστάσεων. Αυτή η αντίσταση πρέπει να εξεταστεί προσεκτικά κατά το σχεδιασμό κυκλωμάτων υψηλής συχνότητας που περιέχουν αντιστάσεις.
Ε: Αλλά πολλά από τα κυκλώματα που περιγράφετε χρησιμοποιούνται για ακριβείς μετρήσεις σε DC ή πολύ χαμηλές συχνότητες. Οι αδέσποτοι επαγωγείς και οι αδέσποτοι πυκνωτές είναι άσχετοι σε αυτές τις εφαρμογές, σωστά;
Α: ναι. Επειδή τα τρανζίστορ (τόσο διακριτά όσο και εντός ολοκληρωμένων κυκλωμάτων) έχουν πολύ μεγάλο πλάτος ζώνης, μερικές φορές μπορεί να υπάρξουν ταλαντώσεις σε εκατοντάδες ή χιλιάδες ζώνες μεγαχέρτζ όταν το κύκλωμα τελειώσει με επαγωγικό φορτίο. Οι ενέργειες αντιστάθμισης και διόρθωσης που σχετίζονται με ταλαντώσεις έχουν κακές επιπτώσεις στην ακρίβεια και τη σταθερότητα χαμηλής συχνότητας.
Ακόμη χειρότερα, οι ταλαντώσεις ενδέχεται να μην είναι ορατές σε ένα παλμογράφο είτε επειδή το εύρος ζώνης του παλμογράφου είναι πολύ χαμηλό σε σύγκριση με το εύρος ζώνης των μετρήσεων ταλαντώσεων υψηλής συχνότητας είτε επειδή η ικανότητα φόρτισης του αισθητήρα παλμογράφου είναι αρκετή για να σταματήσει τις ταλαντώσεις. Η καλύτερη μέθοδος είναι να χρησιμοποιήσετε έναν αναλυτή φάσματος ευρείας ζώνης (χαμηλής συχνότητας έως 15GHz παραπάνω) για να ελέγξετε το σύστημα για παρασιτικές ταλαντώσεις. Αυτός ο έλεγχος πρέπει να γίνεται όταν η είσοδος ποικίλλει σε ολόκληρο το δυναμικό εύρος, επειδή οι παρασιτικές ταλαντώσεις συμβαίνουν μερικές φορές σε ένα πολύ στενό εύρος της ζώνης εισόδου.
Ε: Υπάρχουν ερωτήσεις σχετικά με τις αντιστάσεις;
Α: Η αντίσταση μιας αντίστασης δεν είναι σταθερή, αλλά ποικίλλει ανάλογα με τη θερμοκρασία. Ο συντελεστής θερμοκρασίας (TC) κυμαίνεται από μερικά PPM ​​/° C (εκατομμυριοστά ανά βαθμό Κελσίου) έως αρκετές χιλιάδες PPM /° C. Οι πιο σταθερές αντιστάσεις είναι αντιστάσεις από συρματόσχοινο ή μεταλλικές μεμβράνες και οι χειρότερες είναι αντιστάσεις από συνθετικό φιλμ άνθρακα.
Οι μεγάλοι συντελεστές θερμοκρασίας μπορεί μερικές φορές να είναι χρήσιμοι (ένας αντιστάτης +3500ppm/ ° C μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αντισταθμίσει το kT/ Q στη χαρακτηριστική εξίσωση της διόδου διασταύρωσης, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως στο Q&AS για εφαρμοσμένους μηχανικούς). Αλλά σε γενικές γραμμές η αντίσταση με τη θερμοκρασία μπορεί να είναι πηγή σφάλματος σε κυκλώματα ακριβείας.
Εάν η ακρίβεια του κυκλώματος εξαρτάται από την αντιστοίχιση δύο αντιστάσεων με διαφορετικούς συντελεστές θερμοκρασίας, τότε ανεξάρτητα από το πόσο καλά ταιριάζει στη μία θερμοκρασία, δεν θα ταιριάζει στην άλλη. Ακόμη και αν οι συντελεστές θερμοκρασίας δύο αντιστάσεων ταιριάζουν, δεν υπάρχει εγγύηση ότι θα παραμείνουν στην ίδια θερμοκρασία. Η αυτοθέρμανση που παράγεται από εσωτερική κατανάλωση ενέργειας ή εξωτερική θερμότητα που μεταδίδεται από μια πηγή θερμότητας στο σύστημα μπορεί να προκαλέσει ασυμφωνίες θερμοκρασίας, με αποτέλεσμα αντίσταση. Ακόμη και οι υψηλής ποιότητας αντιστάσεις καλωδίων ή μεταλλικής μεμβράνης μπορεί να έχουν αναντιστοιχίες θερμοκρασίας εκατοντάδων (ή και χιλιάδων) PPM /. Η προφανής λύση είναι να χρησιμοποιήσετε δύο αντιστάσεις κατασκευασμένες έτσι ώστε και οι δύο να είναι πολύ κοντά στον ίδιο πίνακα, έτσι ώστε η ακρίβεια του συστήματος να ταιριάζει καλά ανά πάσα στιγμή. Το υπόστρωμα μπορεί να είναι γκοφρέτες πυριτίου που προσομοιώνουν ακριβή ολοκληρωμένα κυκλώματα, υάλινες γκοφρέτες ή μεταλλικές μεμβράνες. Ανεξάρτητα από το υπόστρωμα, οι δύο αντιστάσεις ταιριάζουν καλά κατά την κατασκευή, έχουν καλά αντιστοιχισμένους συντελεστές θερμοκρασίας και βρίσκονται σχεδόν στην ίδια θερμοκρασία (επειδή είναι τόσο κοντά).