Placa de circuito impreso problemas y soluciones difíciles

P: Como se mencionó anteriormente sobre las resistencias simples, debe haber algunas resistencias cuyo rendimiento sea exactamente el que esperamos. ¿Qué pasa con la resistencia de una sección de alambre?
R: La situación es diferente. Es de suponer que te refieres a un cable o una banda conductora en una placa de circuito impreso que actúa como un cable. Dado que los superconductores a temperatura ambiente aún no están disponibles, cualquier tramo de alambre de metal actúa como una resistencia de baja resistencia (que también actúa como un capacitor e inductor), y se debe considerar su efecto en el circuito.
2. P: ¿La resistencia de un cable de cobre muy corto en un circuito de señal pequeña no debe ser importante?
R: consideremos un ADC de 16 bits con una impedancia de entrada de 5k ω. Suponga que la línea de señal a la entrada del ADC consiste en una placa de circuito impreso típica (0.038 mm de grosor, 0.25 mm de ancho) con una banda conductora de 10 cm de longitud. Tiene una resistencia de aproximadamente 0.18 ω a temperatura ambiente, que es un poco menos de 5K ω × 2 × 2-16 y produce un error de ganancia de 2LSB en el grado completo.
Podría decirse que este problema puede mitigarse si, como ya está, la banda conductora de la placa de circuito IMPRESO se ensancha. En los circuitos analógicos, generalmente es preferible usar una banda más ancha, pero muchos diseñadores de PCB (y diseñadores de PCB) prefieren usar un ancho de banda mínimo para facilitar la ubicación de la línea de señal. En conclusión, es importante calcular la resistencia de la banda conductora y analizar su papel en todos los posibles problemas.
3. P: ¿Existe algún problema con la capacitancia de la banda conductora con un ancho demasiado grande y la capa de metal en la parte posterior de la placa de circuito IMPRESO?
R: Es una pequeña pregunta. Aunque la capacitancia de la banda conductora de la placa de circuito IMPRESO es importante (incluso para circuitos de baja frecuencia, que pueden producir oscilaciones parásitas de alta frecuencia), siempre debe estimarse primero. Si este no es el caso, incluso una banda conductora ancha que forme una gran capacitancia no es un problema. Si surgen problemas, se puede quitar una pequeña área del plano de tierra para reducir la capacitancia a tierra.
P: ¡Deje esta pregunta por un momento! ¿Qué es el plano de puesta a tierra?
R: Si se utiliza una lámina de cobre en todo el lado de una placa de circuito IMPRESO (o toda la capa intermedia de una placa de circuito impreso multicapa) para la conexión a tierra, entonces esto es lo que llamamos un plano de conexión a tierra. Cualquier cable de tierra debe disponerse con la menor resistencia e inductancia posibles. Si un sistema utiliza un plano de puesta a tierra, es menos probable que se vea afectado por el ruido de puesta a tierra. Además, el plano de puesta a tierra también tiene la función de blindaje y enfriamiento.
P: El plano de puesta a tierra mencionado aquí es difícil para los fabricantes, ¿verdad?
R: Hubo algunos problemas hace 20 años. Hoy en día, debido a la mejora del aglutinante, la resistencia a la soldadura y la tecnología de soldadura por ola en las placas de circuitos impresos, la fabricación del plano de puesta a tierra se ha convertido en una operación rutinaria de las placas de circuitos impresos.
P: Dijo que la posibilidad de exponer un sistema al ruido del suelo mediante el uso de un plano del suelo es muy pequeña. ¿Qué queda del problema del ruido del suelo que no se puede resolver?
R: El circuito básico de un sistema de ruido conectado a tierra tiene un plano de tierra, pero su resistencia e inductancia no son cero; si la fuente de corriente externa es lo suficientemente fuerte, afectará las señales precisas. Este problema puede minimizarse disponiendo adecuadamente las placas de circuito impreso de modo que la corriente alta no fluya a áreas que afecten al voltaje de puesta a tierra de las señales de precisión. A veces, una rotura o hendidura en el plano de tierra puede desviar una gran corriente de conexión a tierra del área sensible, pero cambiar a la fuerza el plano de tierra también puede desviar la señal hacia el área sensible, por lo que esta técnica debe usarse con cuidado.
P: ¿Cómo sé la caída de voltaje generada en un plano conectado a tierra?
R: generalmente se puede medir la caída de voltaje, pero a veces se pueden hacer cálculos basados ​​en la resistencia del material en el plano de conexión a tierra (una onza nominal de cobre tiene una resistencia de 10m ω / □) y la longitud del banda conductora por la que pasa la corriente, aunque los cálculos pueden resultar complicados. Los voltajes en el rango de CC a baja frecuencia (45 kHz) se pueden medir con amplificadores de instrumentación como AMP50 o AD02.
La ganancia del amplificador se fijó en 1000 y se conectó a un osciloscopio con una sensibilidad de 5 mV / div. El amplificador puede ser alimentado desde la misma fuente de energía que el circuito bajo prueba, o desde su propia fuente de energía. Sin embargo, si la tierra del amplificador está separada de su base de alimentación, el osciloscopio debe conectarse a la base de alimentación del circuito de alimentación utilizado.
La resistencia entre dos puntos cualesquiera en el plano de tierra se puede medir agregando una sonda a los dos puntos. La combinación de la ganancia del amplificador y la sensibilidad del osciloscopio permite que la sensibilidad de la medición alcance los 5μV / div. El ruido del amplificador aumentará el ancho de la curva de forma de onda del osciloscopio en aproximadamente 3 μV, pero aún es posible lograr una resolución de aproximadamente 1 μV, suficiente para distinguir la mayor parte del ruido del suelo con hasta un 80% de confianza.
P: ¿Qué se debe tener en cuenta sobre el método de prueba anterior?
R: Cualquier campo magnético alterno inducirá un voltaje en el cable de la sonda, que se puede probar cortocircuitando las sondas entre sí (y proporcionando una ruta de desviación a la resistencia de tierra) y observando la forma de onda del osciloscopio. La forma de onda de CA observada se debe a la inducción y se puede minimizar cambiando la posición del cable o intentando eliminar el campo magnético. Además, es necesario asegurarse de que la conexión a tierra del amplificador esté conectada a la conexión a tierra del sistema. Si el amplificador tiene esta conexión, no hay ruta de retorno de deflexión y el amplificador no funcionará. La conexión a tierra también debe garantizar que el método de conexión a tierra utilizado no interfiera con la distribución de corriente del circuito bajo prueba.
P: ¿Cómo medir el ruido de puesta a tierra de alta frecuencia?
R: Es difícil medir el ruido de fondo de alta frecuencia con un amplificador de instrumentación de banda ancha adecuado, por lo que las sondas pasivas de alta frecuencia y VHF son adecuadas. Consiste en un anillo magnético de ferrita (diámetro exterior de 6 ~ 8 mm) con dos bobinas de 6 ~ 10 vueltas cada una. Para formar un transformador de aislamiento de alta frecuencia, una bobina se conecta a la entrada del analizador de espectro y la otra a la sonda.
El método de prueba es similar al caso de baja frecuencia, pero el analizador de espectro usa curvas características de amplitud-frecuencia para representar el ruido. A diferencia de las propiedades del dominio del tiempo, las fuentes de ruido se pueden distinguir fácilmente en función de sus características de frecuencia. Además, la sensibilidad del analizador de espectro es al menos 60 dB más alta que la del osciloscopio de banda ancha.
P: ¿Qué pasa con la inductancia de un cable?
R: La inductancia de los conductores y las bandas conductoras de PCB no se pueden ignorar a frecuencias más altas. Para calcular la inductancia de un cable recto y una banda conductora, se introducen aquí dos aproximaciones.
Por ejemplo, una banda conductora de 1 cm de largo y 0.25 mm de ancho formará una inductancia de 10 nH.
Inductancia del conductor = 0.0002LLN2LR-0.75 μH
Por ejemplo, la inductancia de un cable de 1 mm de diámetro exterior de 0.5 cm de largo es de 7.26nh (2R = 0.5 mm, L = 1 cm)
Inductancia de banda conductora = 0.0002LLN2LW + H + 0.2235W + HL + 0.5μH
Por ejemplo, la inductancia de la banda conductora de la placa de circuito impreso de 1 mm de ancho de 0.25 cm es de 9.59 nh (H = 0.038 mm, W = 0.25 mm, L = 1 cm).
Sin embargo, la reactancia inductiva suele ser mucho menor que el flujo parásito y la tensión inducida del circuito inductivo cortado. El área del bucle debe minimizarse porque el voltaje inducido es proporcional al área del bucle. Esto es fácil de hacer cuando el cableado es de par trenzado.
En las placas de circuito impreso, las rutas de entrada y salida deben estar muy juntas. Los pequeños cambios de cableado a menudo minimizan el impacto, consulte la fuente A junto con el circuito B de baja energía.
Reducir el área del bucle o aumentar la distancia entre los bucles de acoplamiento minimizará el efecto. El área del bucle generalmente se reduce al mínimo y la distancia entre los bucles de acoplamiento se maximiza. A veces se requiere blindaje magnético, pero es caro y propenso a fallas mecánicas, así que evítelo.
11. P: En Preguntas y respuestas para ingenieros de aplicaciones, a menudo se menciona el comportamiento no ideal de los circuitos integrados. Debería ser más fácil utilizar componentes simples como resistencias. Explique la proximidad de componentes ideales.
R: Solo quiero que una resistencia sea un dispositivo ideal, pero el cilindro corto en la punta de una resistencia actúa exactamente como una resistencia pura. La resistencia real también contiene el componente de resistencia imaginario: el componente de reactancia. La mayoría de las resistencias tienen una pequeña capacitancia (normalmente de 1 a 3 pF) en paralelo con su resistencia. Aunque algunos resistores de película, el corte de ranuras helicoidales en sus películas resistivas es principalmente inductivo, su reactancia inductiva es de decenas o cientos de nahen (nH). Por supuesto, las resistencias enrolladas de alambre son generalmente inductivas en lugar de capacitivas (al menos a bajas frecuencias). Después de todo, las resistencias de alambre enrollado están hechas de bobinas, por lo que no es raro que las resistencias de alambre enrollado tengan inductancias de varios microhmios (μH) o decenas de microhmios, o incluso las llamadas resistencias de alambre enrolladas “no inductivas”. (donde la mitad de las bobinas se enrollan en sentido horario y la otra mitad en sentido antihorario). De modo que la inductancia producida por las dos mitades de la bobina se cancela entre sí) también tiene 1μH o más de inductancia residual. Para las resistencias de alambre enrollado de alto valor por encima de aproximadamente 10k ω, las resistencias restantes son en su mayoría capacitivas en lugar de inductivas, y la capacitancia es de hasta 10pF, más alta que la de las resistencias sintéticas o de película delgada estándar. Esta reactancia debe considerarse cuidadosamente al diseñar circuitos de alta frecuencia que contienen resistencias.
P: Pero muchos de los circuitos que describe se utilizan para mediciones precisas en CC o frecuencias muy bajas. Los inductores parásitos y los condensadores parásitos son irrelevantes en estas aplicaciones, ¿verdad?
A: si. Debido a que los transistores (tanto discretos como dentro de circuitos integrados) tienen anchos de banda muy amplios, las oscilaciones a veces pueden ocurrir en cientos o miles de bandas de megahercios cuando el circuito termina con una carga inductiva. Las acciones de compensación y rectificación asociadas con las oscilaciones tienen efectos negativos sobre la precisión y estabilidad de las frecuencias bajas.
Peor aún, las oscilaciones pueden no ser visibles en un osciloscopio porque el ancho de banda del osciloscopio es demasiado bajo en comparación con el ancho de banda de las oscilaciones de alta frecuencia que se están midiendo, o porque la capacidad de carga de la sonda del osciloscopio es suficiente para detener las oscilaciones. El mejor método es utilizar un analizador de espectro de banda ancha (baja frecuencia a 15GHz arriba) para comprobar si el sistema tiene oscilaciones parásitas. Esta verificación debe realizarse cuando la entrada varía en todo el rango dinámico, porque a veces se producen oscilaciones parásitas en un rango muy estrecho de la banda de entrada.
P: ¿Hay alguna pregunta acerca de las resistencias?
R: La resistencia de una resistencia no es fija, sino que varía con la temperatura. El coeficiente de temperatura (TC) varía desde unos pocos PPM / ° C (millonésimas por grado Celsius) hasta varios miles de PPM / ° C. Las resistencias más estables son las resistencias de película metálica o de alambre, y las peores son las resistencias de película de carbono sintético.
Los coeficientes de temperatura grandes a veces pueden ser útiles (se puede usar una resistencia de + 3500ppm / ° C para compensar kT / Q en la ecuación característica del diodo de unión, como se mencionó anteriormente en Preguntas y respuestas para ingenieros de aplicaciones). Pero, en general, la resistencia a la temperatura puede ser una fuente de error en los circuitos de precisión.
Si la precisión del circuito depende de la coincidencia de dos resistencias con diferentes coeficientes de temperatura, no importa qué tan bien coincida con una temperatura, no coincidirá con la otra. Incluso si los coeficientes de temperatura de dos resistencias coinciden, no hay garantía de que permanecerán a la misma temperatura. El autocalentamiento generado por el consumo de energía interno o el calor externo transmitido desde una fuente de calor en el sistema puede causar desajustes de temperatura, lo que resulta en resistencia. Incluso las resistencias de película metálica o de alambre enrollado de alta calidad pueden tener diferencias de temperatura de cientos (o incluso miles) PPM / ℃. La solución obvia es utilizar dos resistencias construidas de modo que ambas estén muy cerca de la misma matriz, de modo que la precisión del sistema coincida bien en todo momento. El sustrato puede ser obleas de silicio que simulan circuitos integrados precisos, obleas de vidrio o películas metálicas. Independientemente del sustrato, las dos resistencias combinan bien durante la fabricación, tienen coeficientes de temperatura bien emparejados y están casi a la misma temperatura (porque están muy cerca).