Trükkplaat rasked probleemid ja lahendused

K: Nagu lihtsate takistite kohta varem mainitud, peavad olema mõned takistid, mille jõudlus on täpselt see, mida me ootame. Mis juhtub juhtmeosa takistusega?
V: Olukord on erinev. Arvatavasti peate silmas traati või juhtivat riba trükkplaadil, mis toimib juhtmena. Kuna toatemperatuuri ülijuhte pole veel saadaval, toimib mis tahes pikkusega metalltraat väikese takistusega takistina (mis toimib ka kondensaatori ja induktiivpoolina) ning tuleb arvestada selle mõju ahelale.
2. K: Väga lühikese vasktraadi takistus väikeses signaaliahelas ei tohi olla oluline?
V: kaalume 16-bitist ADC-d, mille sisendtakistus on 5k ω. Oletame, et signaaliliin ADC sisendisse koosneb tüüpilisest trükkplaadist (paksus 0.038 mm, laius 0.25 mm), mille juhtiv riba on 10 cm pikk. Selle takistus on toatemperatuuril umbes 0.18 ω, mis on veidi väiksem kui 5K × 2 × 2-16 ja tekitab võimendusvea 2LSB täies ulatuses.
Väidetavalt võib seda probleemi leevendada, kui prinditud trükkplaadi juhtiv riba laieneb, nagu see juba on. Analoogskeemides on üldiselt eelistatav kasutada laiemat riba, kuid paljud trükkplaatide disainerid (ja trükkplaatide disainerid) eelistavad signaaliliini paigutuse hõlbustamiseks kasutada minimaalset ribalaiust. Kokkuvõtteks on oluline arvutada juhtiva riba takistus ja analüüsida selle rolli kõikvõimalikes probleemides.
3. K: Kas on probleeme liiga suure laiusega juhtiva riba mahtuvusega ja trükitud trükkplaadi tagaküljel oleva metallikihiga?
V: See on väike küsimus. Kuigi trükitud trükkplaadi juhtiva riba mahtuvus on oluline (isegi madala sagedusega ahelate puhul, mis võivad tekitada kõrgsageduslikke parasiitvõnkumisi), tuleks seda alati kõigepealt hinnata. Kui see pole nii, pole isegi suur juhtiv riba, mis moodustab suure mahtuvuse, probleem. Probleemide ilmnemisel saab maanduspinna väikese osa eemaldada, et vähendada maandumisvõimet.
K: Jäta see küsimus hetkeks! Mis on maanduspind?
V: Kui maandamiseks kasutatakse vaskfooliumi kogu trükitud trükkplaadi küljel (või mitmekihilise trükkplaadi kogu vahekihti), siis nimetame seda maandustasandiks. Kõik maandusjuhtmed peavad olema võimalikult väikese takistuse ja induktiivsusega. Kui süsteem kasutab maandustasandit, mõjutab see maandusmüra vähem. Lisaks on maandustasandil ka varjestus ja jahutus
K: Siin mainitud maanduspind on tootjatele keeruline, eks?
V: 20 aastat tagasi oli probleeme. Tänapäeval on trükkplaatide sideaine, jootetakistuse ja lainejootmistehnoloogia täiustamise tõttu muutunud maandustasandi valmistamine trükkplaatide tavapäraseks toiminguks.
K: Ütlesite, et võimalus lasta maandustasandit kasutades süsteemi müraga kokku puutuda on väga väike. Mis jääb maapinna müra probleemist, mida ei saa lahendada?
V: Maandatud mürasüsteemi põhiahelal on maandustasand, kuid selle takistus ja induktiivsus ei ole null – kui väline vooluallikas on piisavalt tugev, mõjutab see täpseid signaale. Seda probleemi saab minimeerida trükkplaatide nõuetekohase paigutamisega nii, et suur vool ei voola piirkondadesse, mis mõjutavad täpsussignaalide maanduspinget. Mõnikord võib maapinna purunemine või pilu tundlikult alalt suure maandusvoolu juhtida, kuid maandustasandi sunniviisiline muutmine võib signaali ka tundlikule alale suunata, mistõttu tuleb sellist tehnikat kasutada ettevaatlikult.
K: Kuidas ma tean maandatud tasapinnal tekkivat pingelangust?
V: tavaliselt saab mõõta pingelangust, kuid mõnikord saab arvutusi teha ka maandustasandil oleva materjali takistuse alusel (nominaalse 1 untsi vase takistus on 045 m ω /□) ja juhtiv riba, mille kaudu vool läbib, kuigi arvutused võivad olla keerulised. Pingeid vahemikus alalisvool kuni madalsagedus (50 kHz) saab mõõta mõõteriistade võimenditega nagu AMP02 või AD620.
Võimendi võimenduseks määrati 1000 ja see ühendati ostsilloskoobiga tundlikkusega 5 mV/div. Võimendi võib toita samast toiteallikast, mida testitav vooluahel, või oma toiteallikast. Kui aga võimendi maandus on oma toitebaasist eraldatud, tuleb ostsilloskoop ühendada kasutatud toiteahela toiteallikaga.
Vastupidavust maapinna tasapinna kahe punkti vahel saab mõõta, lisades kahele punktile sondi. Võimendi võimenduse ja ostsilloskoobi tundlikkuse kombinatsioon võimaldab mõõtmistundlikkuseni jõuda 5μV/div. Võimendi müra suurendab ostsilloskoobi lainekuju kõvera laiust umbes 3μV, kuid siiski on võimalik saavutada umbes 1μV eraldusvõime – see on piisav, et eristada enamikku maapinna müra kuni 80% kindlusega.
K: Mida tuleks ülaltoodud katsemeetodi puhul märkida?
V: Mis tahes vahelduv magnetväli indutseerib sondi juhtme pinge, mida saab testida, sonde üksteisega lühistades (ja andes maapinna takistusele läbipainde) ja jälgides ostsilloskoobi lainekuju. Täheldatud vahelduvvoolu lainekuju on tingitud induktsioonist ja seda saab minimeerida juhtme asendi muutmisega või magnetvälja kõrvaldamisega. Lisaks on vaja tagada, et võimendi maandus on ühendatud süsteemi maandusega. Kui võimendil on see ühendus, ei ole läbipainde tagasiteed ja võimendi ei tööta. Maandamine peaks samuti tagama, et kasutatav maandusmeetod ei segaks testitava vooluahela voolujaotust.
K: Kuidas mõõta kõrgsageduslikku maandusmüra?
V: Hf maa müra on raske mõõta sobiva lairiba mõõteriistade võimendiga, seega sobivad hf ja VHF passiivsed sondid. See koosneb ferriidist magnetrõngast (välisläbimõõt 6–8 mm), millel on kaks mähist 6–10 pööret. Kõrgsagedusliku eraldustrafo moodustamiseks ühendatakse üks mähis spektraalanalüsaatori sisendiga ja teine ​​sondiga.
Katsemeetod on sarnane madalsagedusliku juhtumiga, kuid spektraalanalüsaator kasutab müra esitamiseks amplituudi-sageduse iseloomulikke kõveraid. Erinevalt ajadomeeni omadustest on müraallikaid nende sagedusomaduste põhjal lihtne eristada. Lisaks on spektraalanalüsaatori tundlikkus lairibaostsilloskoobi omast vähemalt 60 dB kõrgem.
K: Aga traadi induktiivsus?
V: Juhtide ja PCB juhtivate ribade induktiivsust ei saa kõrgematel sagedustel ignoreerida. Sirge traadi ja juhtiva riba induktiivsuse arvutamiseks tutvustatakse siin kahte lähendust.
Näiteks 1 cm pikk ja 0.25 mm lai juhtiv riba moodustab induktiivsuse 10 nH.
Juhi induktiivsus = 0.0002LLN2LR-0.75 μH
Näiteks 1 cm pikkuse 0.5 mm välisläbimõõduga traadi induktiivsus on 7.26 nh (2R = 0.5 mm, L = 1 cm)
Juhtivriba induktiivsus = 0.0002LLN2LW+H+0.2235W+HL+0.5μH
Näiteks 1 cm laiuse 0.25 mm trükkplaadi juhtiva riba induktiivsus on 9.59 nh (H = 0.038 mm, W = 0.25 mm, L = 1 cm).
Kuid induktiivne reaktsioonivõime on tavaliselt palju väiksem kui parasiitvoog ja lõigatud induktiivahela indutseeritud pinge. Silmuspiirkond tuleb minimeerida, kuna indutseeritud pinge on võrdeline silmuse pindalaga. Seda on lihtne teha, kui juhtmestik on keerdpaar.
Trükkplaatidel peaksid juhtmed ja tagasivoolu teed olema üksteise lähedal. Väikesed juhtmestiku muudatused vähendavad sageli mõju, vt allikat A, mis on ühendatud väikese energiatarbega silmusega B.
Silmuspiirkonna vähendamine või haakeseadiste vahelise kauguse suurendamine minimeerib efekti. Silmuspiirkond vähendatakse tavaliselt miinimumini ja haakeseadiste vaheline kaugus on maksimaalne. Mõnikord on vaja magnetilist varjestust, kuid see on kallis ja altid mehaanilistele riketele, seega vältige seda.
11. K: Rakendusinseneride küsimustes ja vastustes mainitakse sageli integraallülituste mitteideaalset käitumist. Lihtsamate komponentide, näiteks takistite kasutamine peaks olema lihtsam. Selgitage ideaalsete komponentide lähedust.
V: Ma lihtsalt tahan, et takisti oleks ideaalne seade, kuid takisti juhtimisel olev lühike silinder toimib täpselt nagu puhas takisti. Tegelik takisti sisaldab ka kujuteldavat takistuskomponenti – reaktsioonikomponenti. Enamikul takistitel on paralleelselt nende takistusega väike mahtuvus (tavaliselt 1 kuni 3 pF). Kuigi mõned kiletakistid on nende takistuskilede spiraalse soone lõikamine enamasti induktiivne, on nende induktiivne reaktsioonivõime kümneid või sadu nahene (nH). Muidugi on traadi haavakindlus üldiselt pigem induktiivne kui mahtuvuslik (vähemalt madalatel sagedustel). Lõppude lõpuks on traadiga haavatud takistid valmistatud mähistest, nii et pole haruldane, kui traattakistusega induktiivsus on mitu mikrohmi (μH) või kümneid mikrohmi või isegi nn mitteinduktiivsed traattakistid (kus pooled mähised on keritud päripäeva ja teine ​​pool vastupäeva). Nii et pooli kahe poole tekitatud induktiivsus tühistab üksteise) on ka 1μH või rohkem jääkinduktiivsust. Kõrge väärtusega traadist keritud takistite puhul, mis on üle 10 kω, on ülejäänud takistid enamasti mahtuvuslikud, mitte induktiivsed ning mahtuvus on kuni 10 pF, kõrgem kui tavalistel õhukestel või sünteetilistel takistitel. Takistusi sisaldavate kõrgsagedusahelate kavandamisel tuleb seda reaktsioonivõimet hoolikalt kaaluda.
K: Kuid paljusid teie kirjeldatud ahelaid kasutatakse täpsete mõõtmiste jaoks alalisvoolul või väga madalatel sagedustel. Hulkuvad induktiivpoolid ja hulkuvad kondensaatorid pole nendes rakendustes asjakohased, eks?
A: jah. Kuna transistoridel (nii diskreetsetel kui ka integraallülitustel) on väga lai ribalaius, võivad vooluahela lõppedes induktiivkoormusega võnked mõnikord sadades või tuhandetes megahertsides esineda. Võnkumistega seotud nihke- ja parandusmeetmed mõjutavad halvasti madala sageduse täpsust ja stabiilsust.
Mis veelgi hullem, võnkumised ei pruugi ostsilloskoopil nähtavad olla ka seetõttu, et ostsilloskoobi ribalaius on liiga väike võrreldes mõõdetavate kõrgsageduslike võnkumiste ribalaiusega, või seetõttu, et ostsilloskoobi sondi laenguvõimsus on võnkumiste peatamiseks piisav. Parim meetod on kasutada lairiba (madalsageduslik kuni 1–5 GHz eespool) spektrianalüsaatorit, et kontrollida süsteemi parasiitvõnkumiste suhtes. Seda kontrolli tuleks teha siis, kui sisend varieerub kogu dünaamilises vahemikus, sest mõnikord tekivad parasiitvõnkumised väga kitsas sisendriba vahemikus.
K: Kas takistite kohta on küsimusi?
V: Takisti takistus ei ole fikseeritud, vaid varieerub sõltuvalt temperatuurist. Temperatuuri koefitsient (TC) varieerub mõnest PPM /° C -st (miljondikud Celsiuse kraadi kohta) kuni mitme tuhande PPM /° C -ni. Kõige stabiilsemad takistid on traat- või metallkiletakistid ja halvimad on sünteetilised süsinikkiletakistid.
Suured temperatuurikoefitsiendid võivad mõnikord olla kasulikud (takisti +3500 ppm/ ° C saab kasutada kT/ Q kompenseerimiseks ristmikdioodide karakteristikuvõrrandis, nagu on eelnevalt mainitud rakenduste inseneride küsimustes ja vastustes). Kuid üldiselt võib temperatuuritaluvus olla täppisahelate vigade allikas.
Kui vooluahela täpsus sõltub kahe erineva temperatuurikoefitsiendiga takisti sobivusest, siis olenemata sellest, kui hästi see ühel temperatuuril sobib, ei sobi see teisel. Isegi kui kahe takisti temperatuurikoefitsiendid langevad kokku, ei ole mingit garantiid, et need jäävad samale temperatuurile. Sisemise elektritarbimise või süsteemi soojusallikast edastatava välissoojuse tekitatud isesoojus võib põhjustada temperatuuride mittevastavust, mille tulemuseks on takistus. Isegi kõrgekvaliteediliste traat- või metallkiletakistite temperatuuride mittevastavus võib olla sadu (või isegi tuhandeid) PPM / ℃. Ilmselge lahendus on kasutada kahte takistit, mis on ehitatud nii, et mõlemad oleksid samale maatriksile väga lähedal, nii et süsteemi täpsus oleks alati hästi sobitatud. Aluspinnaks võivad olla ränivahvlid, mis simuleerivad täpseid integraallülitusi, klaasplaadid või metallkiled. Olenemata substraadist sobivad need kaks takistit tootmise ajal hästi, neil on hästi sobivad temperatuurikoefitsiendid ja nad on peaaegu samal temperatuuril (kuna need on nii lähedal).