Piirilevy vaikeita ongelmia ja ratkaisuja

K: Kuten aiemmin mainittiin yksinkertaisista vastuksista, on oltava joitain vastuksia, joiden suorituskyky on juuri sitä mitä odotamme. Mitä tapahtuu johtimen osan vastukselle?
V: Tilanne on toinen. Oletettavasti tarkoitat johtoa tai johtavaa nauhaa piirilevyllä, joka toimii langana. Koska huonelämpötilaisia ​​suprajohteita ei ole vielä saatavilla, minkä tahansa pituinen metallilanka toimii pieniresistanssisena vastuksena (joka toimii myös kondensaattorina ja induktorina) ja sen vaikutus piiriin on otettava huomioon.
2. K: Hyvin lyhyen kuparilangan vastus pienessä signaalipiirissä ei saa olla tärkeä?
V: Tarkastellaan 16-bittistä ADC: tä, jonka tuloimpedanssi on 5k ω. Oletetaan, että signaalilinja ADC -tuloon koostuu tyypillisestä piirilevystä (paksuus 0.038 mm, leveys 0.25 mm), jonka johtava nauha on 10 cm pitkä. Sen vastus on noin 0.18 ω huoneenlämmössä, mikä on hieman alle 5K × 2 × 2-16 ja tuottaa 2LSB: n vahvistusvirheen täydessä asteessa.
Tätä ongelmaa voidaan epäilemättä lieventää, jos PRINTED -piirilevyn johtavaa nauhaa laajennetaan, kuten se jo on. Analogisissa piireissä on yleensä parempi käyttää laajempaa kaistaa, mutta monet PCB -suunnittelijat (ja PCB -suunnittelijat) haluavat käyttää vähimmäiskaistaleveyttä helpottaakseen signaalilinjan sijoittamista. Lopuksi on tärkeää laskea johtavan kaistan vastus ja analysoida sen roolia kaikissa mahdollisissa ongelmissa.
3. K: Onko ongelma liian suuren leveyden johtavan nauhan ja PRINTED -piirilevyn takana olevan metallikerroksen kapasitanssissa?
V: Se on pieni kysymys. Vaikka PRINTED-piirilevyn johtavan kaistan kapasitanssi on tärkeä (jopa matalataajuisille piireille, jotka voivat aiheuttaa korkeataajuisia loisvärähtelyjä), se on aina arvioitava ensin. Jos näin ei ole, edes suuri johtava kaista, joka muodostaa suuren kapasitanssin, ei ole ongelma. Jos ongelmia ilmenee, pieni osa maatasosta voidaan poistaa, jotta kapasitanssi maata kohti pienenee.
K: Jätä tämä kysymys hetkeksi! Mikä on maataso?
V: Jos PRINTED -piirilevyn (tai monikerroksisen painetun piirilevyn koko välikerrosta) koko puolella käytetään kuparikalvoa maadoitukseen, tätä kutsutaan maadoitustasoksi. Maadoitusjohto on järjestettävä mahdollisimman pienellä vastuksella ja induktanssilla. Jos järjestelmä käyttää maadoitustasoa, maadoitusääni ei todennäköisesti vaikuta siihen. Lisäksi maadoitustasolla on myös suojaus- ja jäähdytystoiminto
K: Tässä mainittu maadoitustaso on valmistajille vaikea, eikö?
V: 20 vuotta sitten oli joitain ongelmia. Nykyään sideaineen, juotosresistanssin ja aaltojuotostekniikan parantamisen vuoksi painetuissa piirilevyissä maadoituskoneen valmistuksesta on tullut piirilevyjen rutiinitoiminto.
K: Sanoit, että mahdollisuus altistaa järjestelmä maamelulle käyttämällä maatasoa on hyvin pieni. Mitä jäljellä on maapohjaongelmasta, jota ei voida ratkaista?
V: Maadoitetun melujärjestelmän peruspiirissä on maataso, mutta sen vastus ja induktanssi eivät ole nollaa – jos ulkoinen virtalähde on riittävän vahva, se vaikuttaa tarkkoihin signaaleihin. Tämä ongelma voidaan minimoida järjestämällä painetut piirilevyt oikein siten, että suuri virta ei virtaa alueille, jotka vaikuttavat tarkkuussignaalien maadoitusjännitteeseen. Joskus maatason murtuma tai rako voi ohjata suuren maadoitusvirran herkältä alueelta, mutta maatason väkivaltainen vaihtaminen voi myös siirtää signaalin herkälle alueelle, joten tällaista tekniikkaa on käytettävä varoen.
K: Mistä tiedän maadoitetulle tasolle syntyvän jännitehäviön?
V: yleensä jännitehäviö voidaan mitata, mutta joskus laskelmat voidaan tehdä maadoitustason materiaalin resistanssin perusteella (nimellisen 1 unssin kuparin vastus on 045 m ω /□) ja johtava kaista, jonka läpi virta kulkee, vaikka laskelmat voivat olla monimutkaisia. Jännitteitä DC -matalataajuus (50 kHz) -alueella voidaan mitata instrumenttivahvistimilla, kuten AMP02 tai AD620.
Vahvistimen vahvistukseksi asetettiin 1000 ja se liitettiin oskilloskooppiin, jonka herkkyys oli 5 mV/div. Vahvistin voidaan saada samasta virtalähteestä kuin testattava piiri tai omasta virtalähteestään. Jos vahvistimen maa on kuitenkin erotettu sen tehopohjasta, oskilloskooppi on kytkettävä käytetyn virtapiirin tehopohjaan.
Maatason kahden pisteen välinen vastus voidaan mitata lisäämällä anturi kahteen pisteeseen. Vahvistimen vahvistuksen ja oskilloskoopin herkkyyden yhdistelmä mahdollistaa mittausherkkyyden saavuttamisen 5μV/div. Vahvistimen melu lisää oskilloskoopin aaltomuodon käyrän leveyttä noin 3μV, mutta silti on mahdollista saavuttaa noin 1μV resoluutio, joka riittää erottamaan suurimman osan maan kohinasta jopa 80%: n varmuudella.
K: Mitä edellä mainitusta testimenetelmästä tulisi huomioida?
V: Mikä tahansa vuorotteleva magneettikenttä aiheuttaa jännitteen anturin johtoon, jota voidaan testata oikosulkemalla anturit toisiinsa (ja antamalla taipumareitti maavastus) ja tarkkailemalla oskilloskoopin aaltomuotoa. Havaittu AC -aaltomuoto johtuu induktiosta, ja se voidaan minimoida muuttamalla johtimen asentoa tai yrittämällä poistaa magneettikenttä. Lisäksi on varmistettava, että vahvistimen maadoitus on kytketty järjestelmän maadoitukseen. Jos vahvistimessa on tämä liitäntä, taipuman paluureittiä ei ole eikä vahvistin toimi. Maadoituksen tulee myös varmistaa, että käytetty maadoitusmenetelmä ei häiritse testattavan piirin virranjakoa.
K: Kuinka mitata korkeataajuinen maadoituskohina?
V: Hf -maan kohinaa on vaikea mitata sopivalla laajakaistaisella instrumenttivahvistimella, joten hf- ja VHF -passiiviset anturit ovat sopivia. Se koostuu ferriittimagneettirenkaasta (ulkohalkaisija 6-8 mm), jossa on kaksi kelaa, joissa on 6-10 kierrosta. Suurtaajuisen erotusmuuntajan muodostamiseksi yksi kela on kytketty spektrianalysaattorin tuloon ja toinen anturiin.
Testimenetelmä on samanlainen kuin matalataajuinen tapaus, mutta spektrianalysaattori käyttää amplitudi-taajuus-ominaiskäyrää edustamaan kohinaa. Toisin kuin aika -alueen ominaisuudet, melulähteet voidaan erottaa helposti niiden taajuusominaisuuksien perusteella. Lisäksi spektrianalysaattorin herkkyys on vähintään 60 dB suurempi kuin laajakaistaoskilloskoopilla.
K: Entä langan induktanssi?
V: Johtimien ja piirilevyä johtavien kaistojen induktanssia ei voida sivuuttaa korkeammilla taajuuksilla. Suoran langan ja johtavan kaistan induktanssin laskemiseksi tässä esitetään kaksi likimääräisyyttä.
Esimerkiksi 1 cm pitkä ja 0.25 mm leveä johtava nauha muodostaa 10 nH induktanssin.
Johtimen induktanssi = 0.0002LLN2LR-0.75 μH
Esimerkiksi 1 cm pitkän 0.5 mm: n ulkohalkaisijan langan induktanssi on 7.26 nm (2R = 0.5 mm, L = 1 cm)
Johtavan kaistan induktanssi = 0.0002LLN2LW+H+0.2235W+HL+0.5μH
Esimerkiksi 1 cm leveän 0.25 mm: n painetun piirilevyn johtavan nauhan induktanssi on 9.59 nm (K = 0.038 mm, L = 0.25 mm, P = 1 cm).
Kuitenkin induktiivinen reaktanssi on yleensä paljon pienempi kuin loisen virtaus ja leikatun induktiivisen piirin indusoitu jännite. Silmukka -alue on minimoitava, koska indusoitu jännite on verrannollinen silmukka -alueeseen. Tämä on helppo tehdä, kun johdot on kierretty.
Piirilevyissä johtimen ja paluureitin tulee olla lähellä toisiaan. Pienet johdotusmuutokset minimoivat usein vaikutuksen, katso lähde A kytkettynä vähäenergiseen silmukkaan B.
Silmukka -alueen pienentäminen tai kytkentälenkkien välisen etäisyyden lisääminen minimoi vaikutuksen. Silmukka -alue pienennetään yleensä minimiin ja kytkentälenkkien välinen etäisyys maksimoidaan. Magneettisuojausta tarvitaan joskus, mutta se on kallista ja altis mekaanisille vikoille, joten vältä sitä.
11. K: Sovellusinsinöörien kysymyksissä ja vastauksissa mainitaan usein integroitujen piirien ei-ihanteellinen käyttäytyminen. Yksinkertaisten komponenttien, kuten vastuksen, käytön pitäisi olla helpompaa. Selitä ihanteellisten komponenttien läheisyys.
V: Haluan vain, että vastus on ihanteellinen laite, mutta vastuksen johdossa oleva lyhyt sylinteri toimii aivan kuten puhdas vastus. Varsinainen vastus sisältää myös kuvitteellisen vastuskomponentin – reaktanssikomponentin. Useimmilla vastuksilla on pieni kapasitanssi (tyypillisesti 1-3 pF) rinnakkain niiden vastuksen kanssa. Vaikka jotkut kalvovastukset, kierteinen uraleikkaus niiden resistiivisissä kalvoissa on enimmäkseen induktiivinen, niiden induktiivinen reaktanssi on kymmeniä tai satoja nahen (nH). Tietysti langan haavavastus on yleensä induktiivinen eikä kapasitiivinen (ainakin matalilla taajuuksilla). Loppujen lopuksi lankakierrevastukset on valmistettu käämeistä, joten ei ole harvinaista, että lankakierrevastuksilla on useiden mikrohmien (μH) tai kymmenien mikrohmien induktanssit tai jopa ns. (jossa puolet keloista on kierretty myötäpäivään ja toinen puoli vastapäivään). Niin että kelan kahden puoliskon tuottama induktanssi kumoaa toisensa) on myös 1μH tai enemmän jäännösinduktanssia. Suuriarvoisilla lankakierrevastuksilla, joiden arvo on yli 10 k ω, jäljellä olevat vastukset ovat enimmäkseen kapasitiivisia eikä induktiivisia, ja kapasitanssi on jopa 10 pF, korkeampi kuin tavallisilla ohutkalvo- tai synteettisillä vastuksilla. Tämä reaktanssi on otettava huolellisesti huomioon, kun suunnitellaan vastuksia sisältäviä suurtaajuuspiirejä.
K: Mutta monia kuvaamiasi piirejä käytetään tarkkoihin mittauksiin tasavirralla tai erittäin matalilla taajuuksilla. Harhainduktorit ja harhakondensaattorit eivät ole merkityksellisiä näissä sovelluksissa, eikö?
A: kyllä. Koska transistoreilla (sekä erillisillä että integroiduilla piireillä) on erittäin laaja kaistanleveys, värähtelyjä voi joskus esiintyä satojen tai tuhansien megahertsien kaistoilla, kun piiri päättyy induktiivisella kuormalla. Värähtelyihin liittyvillä offset- ja korjaustoimilla on huonoja vaikutuksia matalien taajuuksien tarkkuuteen ja vakauteen.
Mikä vielä pahempaa, värähtelyt eivät ehkä näy oskilloskoopissa joko siksi, että oskilloskoopin kaistanleveys on liian alhainen mitattavien korkeataajuisten värähtelyjen kaistanleveyteen verrattuna, tai koska oskilloskooppi -anturin varauskapasiteetti riittää pysäyttämään värähtelyt. Paras tapa on käyttää laajakaistaista (matalataajuinen – 1–5 GHz edellä) spektrianalysaattoria järjestelmän loisten värähtelyjen tarkistamiseen. Tämä tarkistus on tehtävä, kun tulo vaihtelee koko dynaamisella alueella, koska loisvärähtelyjä esiintyy joskus hyvin kapealla syöttökaistan alueella.
K: Onko kysyttävää vastuksista?
V: Vastuksen vastus ei ole kiinteä, mutta vaihtelee lämpötilan mukaan. Lämpötilakerroin (TC) vaihtelee muutamasta PPM /° C (miljoonasosaa celsiusastetta kohti) useisiin tuhansiin PPM /° C. Vakaimmat vastukset ovat lanka- tai metallikalvovastuksia ja pahimmat synteettiset hiilikalvovastukset.
Suuret lämpötilakerroimet voivat joskus olla hyödyllisiä ( +3500 ppm/ ° C vastusta voidaan käyttää kT/ Q: n kompensointiin risteysdiodin ominaisyhtälössä, kuten aiemmin on mainittu sovellusten suunnittelijoiden Q&AS: ssa). Mutta yleensä lämpötilan vastus voi olla virheen lähde tarkkuuspiireissä.
Jos piirin tarkkuus riippuu kahden vastuksen yhteensopivuudesta, joilla on erilaiset lämpötilakertoimet, niin riippumatta siitä, kuinka hyvin ne sopivat yhteen lämpötilaan, se ei vastaa toisessa. Vaikka kahden vastuksen lämpötilakertoimet täsmäävät, ei ole mitään takeita siitä, että ne pysyvät samassa lämpötilassa. Sisäinen virrankulutus tai järjestelmän lämmönlähteestä siirrettävä ulkoinen lämpö voi aiheuttaa itsestään lämpöä, joka voi aiheuttaa lämpötilaeroja ja aiheuttaa vastusta. Jopa korkealaatuisilla lanka- tai metallikalvovastuksilla voi olla satojen (tai jopa tuhansien) PPM / ℃ lämpötilaero. Ilmeinen ratkaisu on käyttää kahta vastusta, jotka on rakennettu niin, että molemmat ovat hyvin lähellä samaa matriisia, jotta järjestelmän tarkkuus on aina hyvä. Alusta voi olla piikiekkoja, jotka simuloivat tarkkoja integroituja piirejä, lasikiekkoja tai metallikalvoja. Alustasta riippumatta nämä kaksi vastusta sopivat hyvin valmistuksen aikana, niillä on sopivat lämpötilakerroimet ja ne ovat lähes samassa lämpötilassa (koska ne ovat niin lähellä).