Circuit imprimé problèmes difficiles et solutions

Q : Comme mentionné précédemment à propos des résistances simples, il doit y avoir des résistances dont les performances correspondent exactement à celles que nous attendons. Qu’arrive-t-il à la résistance d’une section de fil?
R : La situation est différente. Vraisemblablement, vous faites référence à un fil ou à une bande conductrice dans une carte de circuit imprimé qui agit comme un fil. Étant donné que les supraconducteurs à température ambiante ne sont pas encore disponibles, toute longueur de fil métallique agit comme une résistance à faible résistance (qui agit également comme un condensateur et une inductance), et son effet sur le circuit doit être pris en compte.
2. Q : La résistance d’un fil de cuivre très court dans un petit circuit de signal ne doit pas être importante ?
R : considérons un CAN 16 bits avec une impédance d’entrée de 5k ω. Supposons que la ligne de signal vers l’entrée ADC se compose d’une carte de circuit imprimé typique (0.038 mm d’épaisseur, 0.25 mm de large) avec une bande conductrice de 10 cm de longueur. Il a une résistance d’environ 0.18 à température ambiante, ce qui est un peu moins de 5K ω × 2 × 2-16 et produit une erreur de gain de 2LSB à plein degré.
On peut soutenir que ce problème peut être atténué si, comme c’est déjà le cas, la bande conductrice de la carte de circuit imprimé est élargie. Dans les circuits analogiques, il est généralement préférable d’utiliser une bande plus large, mais de nombreux concepteurs de PCB (et concepteurs de PCB) préfèrent utiliser une largeur de bande minimale pour faciliter le placement de la ligne de signal. En conclusion, il est important de calculer la résistance de la bande conductrice et d’analyser son rôle dans tous les problèmes possibles.
3. Q : Y a-t-il un problème avec la capacité de la bande conductrice avec une trop grande largeur et la couche métallique à l’arrière du circuit imprimé ?
R : C’est une petite question. Bien que la capacité de la bande conductrice de la carte de circuit imprimé soit importante (même pour les circuits à basse fréquence, qui peuvent produire des oscillations parasites à haute fréquence), elle doit toujours être estimée en premier. Si ce n’est pas le cas, même une large bande conductrice formant une grande capacité n’est pas un problème. Si des problèmes surviennent, une petite zone du plan de masse peut être retirée pour réduire la capacité à la terre.
Q : Laissez cette question un instant ! Quel est le plan de masse ?
R : Si une feuille de cuivre sur tout le côté d’une carte de circuit imprimé (ou toute la couche intermédiaire d’une carte de circuit imprimé multicouche) est utilisée pour la mise à la terre, c’est ce que nous appelons un plan de mise à la terre. Tout fil de terre doit être disposé avec la plus petite résistance et inductance possible. Si un système utilise un plan de mise à la terre, il est moins susceptible d’être affecté par le bruit de mise à la terre. De plus, le plan de mise à la terre a également la fonction de blindage et de refroidissement
Q : Le plan de mise à la terre mentionné ici est difficile pour les fabricants, n’est-ce pas ?
R : Il y a eu des problèmes il y a 20 ans. Aujourd’hui, en raison de l’amélioration de la technologie de liant, de résistance de soudure et de soudure à la vague dans les cartes de circuits imprimés, la fabrication du plan de mise à la terre est devenue une opération de routine des cartes de circuits imprimés.
Q : Vous avez dit que la possibilité d’exposer un système au bruit du sol en utilisant un plan de masse est très faible. Que reste-t-il du problème du bruit au sol qui ne peut être résolu ?
R : Le circuit de base d’un système de bruit mis à la terre a un plan de masse, mais sa résistance et son inductance ne sont pas nulles : si la source de courant externe est suffisamment puissante, cela affectera des signaux précis. Ce problème peut être minimisé en disposant correctement les cartes de circuits imprimés de sorte qu’un courant élevé ne circule pas vers les zones qui affectent la tension de mise à la terre des signaux de précision. Parfois, une coupure ou une fente dans le plan de masse peut détourner un courant de mise à la terre important de la zone sensible, mais un changement forcé du plan de masse peut également détourner le signal vers la zone sensible, une telle technique doit donc être utilisée avec précaution.
Q : Comment connaître la chute de tension générée sur un plan mis à la terre ?
A : généralement, la chute de tension peut être mesurée, mais parfois des calculs peuvent être effectués sur la base de la résistance du matériau dans le plan de mise à la terre (une once de cuivre nominale a une résistance de 10m ω /□) et la longueur du bande conductrice par laquelle passe le courant, bien que les calculs puissent être compliqués. Les tensions comprises entre le courant continu et la basse fréquence (45 kHz) peuvent être mesurées avec des amplificateurs d’instrumentation tels que l’AMP50 ou l’AD02.
Le gain de l’amplificateur a été fixé à 1000 et connecté à un oscilloscope avec une sensibilité de 5mV/div. L’amplificateur peut être alimenté par la même source d’alimentation que le circuit à tester, ou par sa propre source d’alimentation. Cependant, si la masse de l’amplificateur est séparée de sa base de puissance, l’oscilloscope doit être connecté à la base de puissance du circuit de puissance utilisé.
La résistance entre deux points quelconques du plan de masse peut être mesurée en ajoutant une sonde aux deux points. La combinaison du gain de l’amplificateur et de la sensibilité de l’oscilloscope permet à la sensibilité de mesure d’atteindre 5μV/div. Le bruit provenant de l’amplificateur augmentera la largeur de la courbe de forme d’onde de l’oscilloscope d’environ 3 μV, mais il est toujours possible d’atteindre une résolution d’environ 1 μV, suffisante pour distinguer la plupart des bruits de sol avec une confiance allant jusqu’à 80 %.
Q : Que faut-il noter à propos de la méthode de test ci-dessus ?
R : Tout champ magnétique alternatif induira une tension sur le fil de la sonde, qui peut être testée en court-circuitant les sondes les unes aux autres (et en fournissant un chemin de déviation à la résistance de terre) et en observant la forme d’onde de l’oscilloscope. La forme d’onde AC observée est due à l’induction et peut être minimisée en changeant la position du fil ou en essayant d’éliminer le champ magnétique. De plus, il est nécessaire de s’assurer que la mise à la terre de l’amplificateur est connectée à la mise à la terre du système. Si l’amplificateur dispose de cette connexion, il n’y a pas de chemin de retour de déviation et l’amplificateur ne fonctionnera pas. La mise à la terre doit également garantir que la méthode de mise à la terre utilisée n’interfère pas avec la distribution de courant du circuit testé.
Q : Comment mesurer le bruit de mise à la terre à haute fréquence ?
R : Il est difficile de mesurer le bruit de sol HF avec un amplificateur d’instrumentation à large bande approprié, les sondes passives HF et VHF sont donc appropriées. Il se compose d’un anneau magnétique en ferrite (diamètre extérieur de 6 ~ 8 mm) avec deux bobines de 6 ~ 10 tours chacune. Pour former un transformateur d’isolement haute fréquence, une bobine est connectée à l’entrée de l’analyseur de spectre et l’autre à la sonde.
La méthode de test est similaire au cas des basses fréquences, mais l’analyseur de spectre utilise des courbes caractéristiques amplitude-fréquence pour représenter le bruit. Contrairement aux propriétés du domaine temporel, les sources de bruit peuvent être facilement distinguées en fonction de leurs caractéristiques de fréquence. De plus, la sensibilité de l’analyseur de spectre est supérieure d’au moins 60 dB à celle de l’oscilloscope à large bande.
Q : Qu’en est-il de l’inductance d’un fil ?
R : L’inductance des conducteurs et des bandes conductrices de PCB ne peut pas être ignorée à des fréquences plus élevées. Afin de calculer l’inductance d’un fil rectiligne et d’une bande conductrice, deux approximations sont introduites ici.
Par exemple, une bande conductrice de 1 cm de long et 0.25 mm de large formera une inductance de 10 nH.
Inductance du conducteur = 0.0002LLN2LR-0.75 H
Par exemple, l’inductance d’un fil de 1 cm de long et de 0.5 mm de diamètre extérieur est de 7.26 nh (2R = 0.5 mm, L = 1 cm)
Inductance de bande conductrice = 0.0002LLN2LW +H+0.2235W+HL+0.5μH
Par exemple, l’inductance de la bande conductrice de la carte de circuit imprimé de 1 mm de large de 0.25 cm est de 9.59 nh (H = 0.038 mm, L = 0.25 mm, L = 1 cm).
Cependant, la réactance inductive est généralement beaucoup plus petite que le flux parasite et la tension induite du circuit inductif coupé. La zone de boucle doit être minimisée car la tension induite est proportionnelle à la zone de boucle. C’est facile à faire lorsque le câblage est à paires torsadées.
Dans les circuits imprimés, les chemins de sortie et de retour doivent être proches l’un de l’autre. De petits changements de câblage minimisent souvent l’impact, voir la source A couplée à la boucle basse énergie B.
Réduire la zone de boucle ou augmenter la distance entre les boucles de couplage minimisera l’effet. La zone de boucle est généralement réduite au minimum et la distance entre les boucles de couplage est maximisée. Un blindage magnétique est parfois nécessaire, mais il est coûteux et sujet à des défaillances mécaniques, alors évitez-le.
11. Q : Dans les questions-réponses pour les ingénieurs d’application, le comportement non idéal des circuits intégrés est souvent mentionné. Il devrait être plus facile d’utiliser des composants simples tels que des résistances. Expliquez la proximité des composants idéaux.
A: Je veux juste qu’une résistance soit un appareil idéal, mais le cylindre court à la tête d’une résistance agit exactement comme une résistance pure. La résistance réelle contient également le composant de résistance imaginaire – le composant de réactance. La plupart des résistances ont une petite capacité (généralement 1 à 3pF) en parallèle avec leur résistance. Bien que certaines résistances à film, la coupe de rainures hélicoïdales dans leurs films résistifs soit principalement inductive, leur réactance inductive est de dizaines ou de centaines de nahen (nH). Bien entendu, les résistances bobinées sont généralement inductives plutôt que capacitives (au moins aux basses fréquences). Après tout, les résistances bobinées sont constituées de bobines, il n’est donc pas rare que des résistances bobinées aient des inductances de plusieurs microhm (μH) ou dizaines de microhm, voire des résistances bobinées dites « non inductives ». (où la moitié des bobines sont enroulées dans le sens des aiguilles d’une montre et l’autre moitié dans le sens inverse des aiguilles d’une montre). De sorte que l’inductance produite par les deux moitiés de la bobine s’annule) a également 1μH ou plus d’inductance résiduelle. Pour les résistances bobinées de grande valeur au-dessus d’environ 10k ω, les résistances restantes sont principalement capacitives plutôt qu’inductives, et la capacité est jusqu’à 10pF, supérieure à celle des résistances à couche mince ou synthétiques standard. Cette réactance doit être soigneusement prise en compte lors de la conception de circuits haute fréquence contenant des résistances.
Q : Mais bon nombre des circuits que vous décrivez sont utilisés pour des mesures précises à des fréquences DC ou très basses. Les inductances parasites et les condensateurs parasites ne sont pas pertinents dans ces applications, n’est-ce pas ?
R : oui. Étant donné que les transistors (à la fois discrets et dans les circuits intégrés) ont des largeurs de bande très larges, des oscillations peuvent parfois se produire dans des centaines ou des milliers de bandes de mégahertz lorsque le circuit se termine par une charge inductive. Les actions de décalage et de rectification associées aux oscillations ont des effets néfastes sur la précision et la stabilité des basses fréquences.
Pire, les oscillations peuvent ne pas être visibles sur un oscilloscope soit parce que la bande passante de l’oscilloscope est trop faible par rapport à la bande passante des oscillations haute fréquence mesurées, soit parce que la capacité de charge de la sonde de l’oscilloscope est suffisante pour arrêter les oscillations. La meilleure méthode consiste à utiliser un analyseur de spectre à large bande (basse fréquence jusqu’à 15 GHz au-dessus) pour vérifier le système pour détecter les oscillations parasites. Ce contrôle doit être effectué lorsque l’entrée varie sur toute la plage dynamique, car des oscillations parasites se produisent parfois dans une plage très étroite de la bande d’entrée.
Q : Y a-t-il des questions sur les résistances ?
R : La résistance d’une résistance n’est pas fixe, mais varie avec la température. Le coefficient de température (TC) varie de quelques PPM /°C (millionièmes par degré Celsius) à plusieurs milliers de PPM /°C. Les résistances les plus stables sont les résistances bobinées ou à film métallique, et les pires sont les résistances à film de carbone synthétique.
Des coefficients de température élevés peuvent parfois être utiles (une résistance de +3500 ppm/°C peut être utilisée pour compenser kT/Q dans l’équation caractéristique de la diode de jonction, comme mentionné précédemment dans Q&AS pour les ingénieurs d’application). Mais en général la résistance avec la température peut être une source d’erreur dans les circuits de précision.
Si la précision du circuit dépend de la correspondance de deux résistances avec des coefficients de température différents, alors quelle que soit la qualité de la correspondance à une température, elle ne correspondra pas à l’autre. Même si les coefficients de température de deux résistances correspondent, rien ne garantit qu’elles resteront à la même température. L’auto-chaleur générée par la consommation d’énergie interne ou la chaleur externe transmise par une source de chaleur dans le système peut provoquer des écarts de température, entraînant une résistance. Même les résistances bobinées ou à film métallique de haute qualité peuvent présenter des décalages de température de centaines (voire de milliers) PPM / . La solution évidente consiste à utiliser deux résistances construites de manière à ce qu’elles soient toutes les deux très proches de la même matrice, afin que la précision du système soit bien adaptée à tout moment. Le substrat peut être des plaquettes de silicium qui simulent des circuits intégrés précis, des plaquettes de verre ou des films métalliques. Quel que soit le substrat, les deux résistances s’adaptent bien pendant la fabrication, ont des coefficients de température bien appariés et sont presque à la même température (car elles sont si proches).