تخته مدار چاپی مشکلات و راه حل های دشوار

Q: As mentioned earlier about simple resistors, there must be some resistors whose performance is exactly what we expect. What happens to the resistance of a section of wire?
پاسخ: شرایط متفاوت است. احتمالاً منظور شما یک سیم یا یک باند رسانا در یک برد مدار چاپی است که به عنوان یک سیم عمل می کند. از آنجا که ابررساناهای دمای اتاق هنوز در دسترس نیستند ، هر طول سیم فلزی به عنوان یک مقاومت با مقاومت کم عمل می کند (که به عنوان یک خازن و یک سلف نیز عمل می کند) ، و باید تأثیر آن را روی مدار در نظر گرفت.
2. س: مقاومت یک سیم مسی بسیار کوتاه در یک مدار سیگنال کوچک نباید مهم باشد؟
A: اجازه دهید یک ADC 16 بیتی با امپدانس ورودی 5k ω را در نظر بگیریم. فرض کنید که خط سیگنال به ورودی ADC شامل یک برد مدار چاپی معمولی (ضخامت 0.038 میلی متر ، عرض 0.25 میلی متر) با یک باند رسانا به طول 10 سانتی متر است. دارای مقاومت حدود 0.18 ω در دمای اتاق است که کمی کمتر از 5K ω × 2 × 2-16 است و خطای افزایش 2LSB را در درجه کامل ایجاد می کند.
اگر بتوان نوار رسانایی برد مدار چاپی را گسترده تر کرد ، می توان این مشکل را کاهش داد. در مدارهای آنالوگ ، عموماً ترجیح داده می شود از یک باند وسیع تر استفاده شود ، اما بسیاری از طراحان PCB (و طراحان PCB) ترجیح می دهند از حداقل عرض باند برای تسهیل قرار دادن خط سیگنال استفاده کنند. در پایان ، محاسبه مقاومت نوار رسانا و تجزیه و تحلیل نقش آن در همه مشکلات احتمالی مهم است.
3. س: آیا خازن نوار رسانا با عرض بسیار زیاد و لایه فلزی پشت برد مدار چاپی مشکلی دارد؟
پاسخ: این یک سوال کوچک است. اگرچه ظرفیت خازنی از نوار رسانای مدار چاپی مهم است (حتی برای مدارهای با فرکانس پایین که می توانند نوسانات انگلی با فرکانس بالا ایجاد کنند) ، اما همیشه باید ابتدا برآورد شود. اگر چنین نباشد ، حتی یک نوار رسانای گسترده که یک ظرفیت بزرگ را تشکیل می دهد ، مشکلی ایجاد نمی کند. در صورت بروز مشکل ، می توان یک سطح کوچک از سطح زمین را حذف کرد تا ظرفیت خازن را کاهش دهد.
س: این سوال را برای لحظه ای رها کنید! هواپیمای زمین گیر چیست؟
پاسخ: اگر از فویل مسی در تمام طرف یک برد مدار چاپی (یا کل لایه بین برد مدار چاپی چند لایه) برای اتصال زمین استفاده می شود ، این چیزی است که ما آن را سطح زمین می نامیم. هر سیم زمین باید با کوچکترین مقاومت و القایی ممکن چیده شود. اگر سیستمی از سطح زمین استفاده کند ، کمتر تحت تأثیر سر و صدای زمین قرار می گیرد. علاوه بر این ، سطح زمین عملکرد محافظ و خنک کننده را نیز دارد
س: هواپیمای زمینی ذکر شده در اینجا برای تولیدکنندگان مشکل است ، درست است؟
پاسخ: 20 سال پیش برخی مشکلات وجود داشت. امروزه به دلیل بهبود اتصال دهنده ها ، مقاومت لحیم کاری و فن آوری لحیم موج در تابلوهای مدار چاپی ، ساخت صفحه اتصال به یک عملیات معمول بردهای مدار چاپی تبدیل شده است.
س: شما گفتید که احتمال قرار گرفتن یک سیستم در معرض سر و صدای زمین با استفاده از سطح زمین بسیار اندک است. از مشکل سر و صدای زمین که قابل حل نیست چه می ماند؟
A: مدار اصلی سیستم سر و صدا زمینی دارای سطح زمین است ، اما مقاومت و القایی آن صفر نیست – اگر منبع جریان خارجی به اندازه کافی قوی باشد ، روی سیگنالهای دقیق تأثیر می گذارد. با چیدمان صحیح تابلوهای مدار چاپی می توان این مشکل را به حداقل رساند تا جریان زیاد به مناطقی که بر ولتاژ زمین سیگنالهای دقیق تأثیر می گذارد ، نرسد. گاهی اوقات شکستن یا شکاف در سطح زمین می تواند جریان زمین زیاد را از ناحیه حساس منحرف کند ، اما تغییر اجباری سطح زمین نیز می تواند سیگنال را به ناحیه حساس منحرف کند ، بنابراین باید از چنین تکنیکی با احتیاط استفاده کرد.
س: چگونه می توانم افت ولتاژ ایجاد شده در صفحه زمین را بفهمم؟
پاسخ: معمولاً افت ولتاژ را می توان اندازه گیری کرد ، اما گاهی اوقات می توان بر اساس مقاومت مواد در صفحه زمین (1 اسمی اسمی اسمی دارای مقاومت 045m ω /□) و طول باند رسانایی که جریان از آن عبور می کند ، اگرچه محاسبات می تواند پیچیده باشد. ولتاژهای DC تا محدوده فرکانس پایین (50kHz) را می توان با تقویت کننده های ابزار مانند AMP02 یا AD620 اندازه گیری کرد.
افزایش آمپلی فایر 1000 بود و به یک اسیلوسکوپ با حساسیت 5mV/div متصل شد. تقویت کننده ممکن است از همان منبع تغذیه مدار مورد آزمایش یا منبع تغذیه خود تأمین شود. با این حال ، اگر زمین تقویت کننده از پایه قدرت خود جدا شود ، اسیلوسکوپ باید به منبع تغذیه مدار قدرت مورد استفاده متصل شود.
مقاومت بین هر دو نقطه در سطح زمین را می توان با افزودن یک کاوشگر به دو نقطه اندازه گیری کرد. ترکیبی از افزایش آمپلی فایر و حساسیت اسیلوسکوپ باعث می شود حساسیت اندازه گیری به 5μV/div برسد. سر و صدا از تقویت کننده عرض منحنی شکل موج اسیلوسکوپ را حدود 3μV افزایش می دهد ، اما هنوز می توان به تفکیک پذیری حدود 1μV دست یافت – به اندازه کافی برای تشخیص بیشتر سر و صدای زمین تا 80 درصد اطمینان.
س: در مورد روش آزمون فوق باید به چه نکاتی توجه کرد؟
پاسخ: هر میدان مغناطیسی متناوب باعث ایجاد ولتاژ در سرب پروب می شود که می توان با اتصال کوتاه پروبها به یکدیگر (و ایجاد مسیر انحرافی در مقاومت زمین) و مشاهده شکل موج اسیلوسکوپ را آزمایش کرد. شکل موج AC مشاهده شده ناشی از القاء است و با تغییر موقعیت سرب یا تلاش برای حذف میدان مغناطیسی می توان آن را به حداقل رساند. علاوه بر این ، لازم است اطمینان حاصل شود که اتصال تقویت کننده به زمین سیستم متصل است. اگر تقویت کننده این اتصال را داشته باشد هیچ مسیر برگشتی انحرافی وجود ندارد و تقویت کننده کار نخواهد کرد. زمین سازی همچنین باید اطمینان حاصل کند که روش زمین گیری مورد استفاده در توزیع فعلی مدار مورد آزمایش تداخل ایجاد نمی کند.
س: چگونه می توان سر و صدای زمین با فرکانس بالا را اندازه گیری کرد؟
A: اندازه گیری نویز زمین hf با تقویت کننده ابزار دقیق پهن باند مشکل است ، بنابراین پروبهای غیرفعال hf و VHF مناسب هستند. این شامل یک حلقه مغناطیسی فریت (قطر خارجی 6 ~ 8 میلی متر) با دو سیم پیچ 6 ~ 10 دور هر کدام است. برای تشکیل ترانسفورماتور جداسازی فرکانس بالا ، یک سیم پیچ به ورودی آنالیز کننده طیف و دیگری به پروب وصل می شود.
روش آزمایش شبیه مورد فرکانس پایین است ، اما تجزیه کننده طیف از منحنی های مشخصه دامنه-فرکانس برای نشان دادن نویز استفاده می کند. برخلاف ویژگی های حوزه زمانی ، منابع نویز را می توان بر اساس ویژگی های فرکانسی آنها به راحتی تشخیص داد. علاوه بر این ، حساسیت دستگاه تجزیه و تحلیل طیف حداقل 60dB بیشتر از اسیلوسکوپ پهن باند است.
س: القاء سیم چگونه است؟
پاسخ: القایی هادی ها و نوارهای رسانای PCB را نمی توان در فرکانس های بالاتر نادیده گرفت. برای محاسبه استقراء یک سیم مستقیم و یک باند رسانا ، دو تقریب در اینجا معرفی می شود.
به عنوان مثال ، یک نوار رسانا به طول 1 سانتیمتر و عرض 0.25 میلی متر ، القایی 10nH را تشکیل می دهد.
القایی هادی = 0.0002LLN2LR-0.75 μH
به عنوان مثال ، القای یک سیم با قطر بیرونی 1 میلی متر طول 0.5 سانتی متر 7.26 نانومتر است (2R = 0.5 میلی متر ، L = 1 سانتی متر)
القاء باند رسانایی = 0.0002LLN2LW+H+0.2235W+HL+0.5μH
به عنوان مثال ، اندوکتانس باند رسانای مدار چاپی 1cm عرض 0.25 میلی متر 9.59nh (H = 0.038mm ، W = 0.25mm ، L = 1cm) است.
با این حال ، راکتانس القایی معمولاً بسیار کوچکتر از شار انگلی و ولتاژ القایی مدار القایی برش است. مساحت حلقه باید به حداقل برسد زیرا ولتاژ القایی متناسب با ناحیه حلقه است. هنگامی که سیم کشی پیچ خورده است ، این کار آسان است.
در تابلوهای مدار چاپی ، مسیرهای سربی و بازگشتی باید به هم نزدیک باشند. تغییرات کوچک سیم کشی اغلب ضربه را به حداقل می رساند ، به منبع A همراه با حلقه B کم مصرف مراجعه کنید.
کاهش سطح حلقه یا افزایش فاصله بین حلقه های اتصال اثر را به حداقل می رساند. مساحت حلقه معمولاً به حداقل می رسد و فاصله بین حلقه های اتصال حداکثر می شود. محافظ مغناطیسی گاهی اوقات مورد نیاز است ، اما گران است و مستعد خرابی مکانیکی است ، بنابراین از آن اجتناب کنید.
11. س: در پرسش و پاسخ مهندسان برنامه ، اغلب رفتار غیر ایده آل مدارهای مجتمع ذکر شده است. استفاده از اجزای ساده مانند مقاومت باید آسان تر باشد. مجاورت اجزای ایده آل را توضیح دهید.
پاسخ: من فقط می خواهم یک مقاومت یک دستگاه ایده آل باشد ، اما استوانه کوتاه در قسمت مقاومت دقیقاً مانند یک مقاومت خالص عمل می کند. مقاومت واقعی همچنین شامل جزء مقاومت خیالی است – جزء راکتانس. بیشتر مقاومتها به موازات مقاومتشان دارای خازنی کوچک (معمولاً 1 تا 3pF) هستند. اگرچه برخی از مقاومتهای فیلم ، برش شیار مارپیچی در فیلمهای مقاومتی آنها عمدتا القایی است ، اما راکتانس القایی آنها دهها یا صدها ناهن (nH) است. البته مقاومت سیم پیچ عموماً القایی است تا خازنی (حداقل در فرکانسهای پایین). از این گذشته ، مقاومتهای سیم پیچ از کویل ساخته می شوند ، بنابراین غیر معمول نیست که مقاومتهای سیم پیچ دارای اندوکتانس چند میکرومتر (μH) یا دهها میکرومتر یا حتی مقاومتهای به اصطلاح “غیر القایی” سیم پیچ باشند. (جایی که نیمی از سیم پیچ ها در جهت عقربه های ساعت و نیمی دیگر در جهت عقربه های ساعت پیچیده می شوند). به طوری که سلفی تولید شده توسط دو نیمه سیم پیچ یکدیگر را لغو می کند) همچنین دارای 1μH یا بیشتر از القاء باقی مانده است. برای مقاومتهای سیم پیچ با ارزش بالا در حدود 10k ω ، مقاومتهای باقیمانده بیشتر خازنی هستند و نه القایی ، و ظرفیت تا 10pF ، بالاتر از مقاومت استاندارد فیلمهای نازک یا مقاومتهای مصنوعی است. این راکتانس هنگام طراحی مدارهای فرکانس بالا حاوی مقاومت باید به دقت مورد توجه قرار گیرد.
س: اما بسیاری از مدارهایی که توصیف می کنید برای اندازه گیری دقیق در فرکانس DC یا بسیار پایین استفاده می شوند. سلف های سرگردان و خازن های سرگردان در این کاربردها بی ربط هستند ، درست است؟
پاسخ: بله از آنجا که ترانزیستورها (اعم از مدارهای مجزا و درون مدارهای مجتمع) دارای عرض نوار بسیار وسیعی هستند ، گاهی اوقات هنگامی که مدار با بار القایی به پایان می رسد ، نوساناتی در صدها یا هزاران باند مگاهرتز رخ می دهد. اقدامات جبران و اصلاح مربوط به نوسانات تأثیرات بدی روی دقت و ثبات فرکانس پایین دارد.
بدتر اینکه ، نوسانات ممکن است در یک اسیلوسکوپ قابل مشاهده نباشند زیرا پهنای باند اسیلوسکوپ در مقایسه با پهنای باند نوسانات فرکانس بالا که اندازه گیری می شود بسیار کم است ، یا به دلیل اینکه ظرفیت بار کاوشگر اسیلوسکوپ برای متوقف کردن نوسانات کافی است. بهترین روش استفاده از آنالیز کننده طیف باند وسیع (فرکانس پایین تا 15 گیگاهرتز بالا) برای بررسی سیستم برای نوسانات انگلی است. این بررسی باید زمانی انجام شود که ورودی در کل محدوده دینامیکی متغیر است ، زیرا نوسانات انگلی گاهی در محدوده بسیار محدودی از نوار ورودی رخ می دهد.
س: آیا در مورد مقاومت ها س questionsالی وجود دارد؟
A: The resistance of a resistor is not fixed, but varies with temperature. The temperature coefficient (TC) varies from a few PPM /°C(millionths per degree Celsius) to several thousand PPM /°C. The most stable resistors are wire wound or metal film resistors, and the worst are synthetic carbon film resistors.
ضرایب دمای بزرگ گاهی اوقات می تواند مفید باشد (مقاومت +3500ppm/ ° C را می توان برای جبران kT/ Q در معادله مشخصه دیود اتصال استفاده کرد ، همانطور که قبلاً در پرسش و پاسخ برای مهندسان برنامه ذکر شد). اما به طور کلی مقاومت در برابر دما می تواند منبع خطا در مدارهای دقیق باشد.
اگر دقت مدار به تطابق دو مقاومت با ضرایب دمایی متفاوت بستگی داشته باشد ، مهم نیست که در یک دما چقدر خوب مطابقت داشته باشد ، در دمای دیگر مطابقت نخواهد داشت. حتی اگر ضرایب دمای دو مقاومت با هم مطابقت داشته باشند ، هیچ تضمینی وجود ندارد که آنها در همان دما باقی بمانند. حرارت خود تولید شده توسط مصرف برق داخلی یا گرمای خارجی منتقل شده از منبع گرما در سیستم می تواند باعث عدم تطابق دما و در نتیجه مقاومت شود. حتي مقاومتهاي سيم پيچي يا فلزي با كيفيت بالا مي توانند صدها (يا حتي هزاران) PPM / m ناهماهنگي دمايي داشته باشند. راه حل بدیهی استفاده از دو مقاومت ساخته شده به گونه ای است که هر دو بسیار نزدیک به یک ماتریس باشند ، به طوری که دقت سیستم در هر زمان به خوبی مطابقت داشته باشد. بستر می تواند ویفرهای سیلیکونی باشد که مدارهای یکپارچه دقیق ، ویفرهای شیشه ای یا فیلم های فلزی را شبیه سازی می کند. صرف نظر از بستر ، این دو مقاومت در طول تولید به خوبی مطابقت دارند ، دارای ضرایب دمایی مناسب هستند و تقریباً در دمای یکسان هستند (زیرا بسیار نزدیک هستند).