Placa de circuíto impreso problemas e solucións difíciles

P: Como se mencionou anteriormente sobre resistencias simples, debe haber algunhas resistencias cuxo rendemento sexa exactamente o que esperamos. Que pasa coa resistencia dunha sección de arame?
R: A situación é diferente. Presuntamente refírese a un fío ou unha banda condutora nunha placa de circuíto impreso que actúa como un fío. Dado que os supercondutores a temperatura ambiente aínda non están dispoñibles, calquera lonxitude do fío metálico actúa como resistencia de baixa resistencia (que tamén actúa como condensador e indutor), e hai que considerar o seu efecto no circuíto.
2. P: ¿A resistencia dun fío de cobre moi curto nun pequeno circuíto de sinal non debe ser importante?
R: consideremos un ADC de 16 bits cunha impedancia de entrada de 5k ω. Supoña que a liña de sinal á entrada ADC consiste nunha placa de circuíto impreso típica (0.038 mm de grosor, 0.25 mm de ancho) cunha banda condutora de 10 cm de lonxitude. Ten unha resistencia de aproximadamente 0.18 ω a temperatura ambiente, que é un pouco inferior a 5 K × 2 × 2-16 e produce un erro de ganancia de 2 LSB a grao completo.
Sen dúbida, este problema pode mitigarse se, como xa o é, a banda condutora da placa de circuíto PRINTED se fai máis ancha. Nos circuítos analóxicos, xeralmente é preferible usar unha banda máis ancha, pero moitos deseñadores de PCB (e deseñadores de PCB) prefiren usar un ancho de banda mínimo para facilitar a colocación da liña de sinal. En conclusión, é importante calcular a resistencia da banda condutora e analizar o seu papel en todos os problemas posibles.
3. P: ¿Hai algún problema coa capacidade da banda condutora de ancho demasiado grande e a capa metálica na parte traseira da placa de circuíto IMPRIMIDA?
R: É unha pequena pregunta. Aínda que a capacidade da banda condutora da placa de circuíto PRINTED é importante (incluso para circuítos de baixa frecuencia, que poden producir oscilacións parasitarias de alta frecuencia), sempre debe estimarse primeiro. Se este non é o caso, nin unha ampla banda condutora que forma unha gran capacidade non é un problema. Se xorden problemas, pódese eliminar unha pequena área do plano terrestre para reducir a capacidade á terra.
P: Deixa esta pregunta por un momento. Cal é o avión de terra?
R: Se se usa unha folla de cobre en todo o lado dunha placa de circuíto PRINTED (ou toda a capa intermedia dunha placa de circuíto impreso de varias capas) para a posta a terra, entón isto é o que chamamos plano de terra. Calquera fío de terra disporase coa menor resistencia e inductancia posibles. Se un sistema usa un plano de terra, é menos probable que se vexa afectado polo ruído de terra. Ademais, o plano de posta a terra tamén ten a función de blindar e arrefriar
P: O avión de terra mencionado aquí é difícil para os fabricantes, non?
R: Houbo algúns problemas hai 20 anos. Hoxe en día, debido á mellora da tecnoloxía de aglutinante, resistencia á soldadura e soldadura por ondas nas placas de circuítos impresos, a fabricación de avión de terra converteuse nunha operación rutineira das placas de circuíto impreso.
P: Vostede dixo que a posibilidade de expoñer un sistema ao ruído do chan usando un plano de terra é moi pequena. Que queda do problema do ruído do chan que non se pode solucionar?
R: O circuíto básico dun sistema de ruído conectado a terra ten un plano de terra, pero a súa resistencia e inductancia non son nulas; se a fonte de corrente externa é o suficientemente forte, afectará aos sinais precisos. Este problema pódese minimizar organizando correctamente as placas de circuíto impreso para que a corrente elevada non flúa cara ás zonas que afectan a tensión de terra dos sinais de precisión. Ás veces, unha rotura ou fenda no plano terrestre pode desviar unha gran corrente de posta a terra desde a zona sensible, pero cambiar forzosamente o plano terrestre tamén pode desviar o sinal cara á zona sensible, polo que esa técnica debe usarse con coidado.
P: Como sei a caída de tensión xerada nun plano a terra?
R: normalmente pódese medir a caída de tensión, pero ás veces pódense facer cálculos en función da resistencia do material no plano de terra (unha onza nominal de cobre ten unha resistencia de 10m ω / □) e a lonxitude do banda condutora pola que pasa a corrente, aínda que os cálculos poden ser complicados. As tensións no rango de corrente continua a baixa frecuencia (45 kHz) pódense medir con amplificadores de instrumentación como AMP50 ou AD02.
A ganancia do amplificador fixouse en 1000 e conectouse a un osciloscopio cunha sensibilidade de 5mV / div. O amplificador pode subministrarse desde a mesma fonte de enerxía que o circuíto en proba ou desde a súa propia fonte de enerxía. Non obstante, se a terra do amplificador está separada da súa base de potencia, o osciloscopio debe estar conectado á base de potencia do circuíto de potencia usado.
A resistencia entre dous puntos do plano terrestre pode medirse engadindo unha sonda aos dous puntos. A combinación de ganancia do amplificador e sensibilidade do osciloscopio permite que a sensibilidade de medición alcance os 5μV / div. O ruído do amplificador aumentará o ancho da curva da forma de onda do osciloscopio aproximadamente 3μV, pero aínda é posible acadar unha resolución de aproximadamente 1μV, o suficiente para distinguir a maior parte do ruído do chan cunha confianza de ata o 80%.
P: Que se debe ter en conta sobre o método de proba anterior?
R: Calquera campo magnético alterno inducirá unha tensión no cable da sonda, que se pode probar cortocircuitando as sondas entre si (e proporcionando un camiño de desvío á resistencia do chan) e observando a forma de onda do osciloscopio. A forma de onda de CA observada débese á indución e pódese minimizar cambiando a posición do cable ou intentando eliminar o campo magnético. Ademais, é necesario asegurarse de que a terra do amplificador está conectada á terra do sistema. Se o amplificador ten esta conexión non hai camiño de retorno de deflexión e o amplificador non funcionará. A posta a terra tamén debe garantir que o método de posta a terra empregado non interfira na distribución de corrente do circuíto que se está a probar.
P: Como medir o ruído de conexión a terra de alta frecuencia?
R: É difícil medir o ruído do chan hf cun amplificador de instrumentación de banda ancha adecuado, polo que as sondas pasivas hf e VHF son apropiadas. Consiste nun anel magnético de ferrita (diámetro exterior de 6 ~ 8 mm) con dúas bobinas de 6 ~ 10 xiros cada unha. Para formar un transformador de illamento de alta frecuencia, unha bobina está conectada á entrada do analizador de espectro e a outra á sonda.
O método de proba é similar ao caso de baixa frecuencia, pero o analizador de espectro usa curvas características de amplitude-frecuencia para representar o ruído. A diferenza das propiedades do dominio temporal, as fontes de ruído pódense distinguir facilmente en función das súas características de frecuencia. Ademais, a sensibilidade do analizador de espectro é polo menos 60dB maior que a do osciloscopio de banda ancha.
P: E a inductancia dun arame?
R: A inductancia dos condutores e as bandas condutoras do PCB non se pode ignorar a frecuencias máis altas. Para calcular a inductancia dun fío recto e dunha banda condutora, introdúcense dúas aproximacións aquí.
Por exemplo, unha banda condutora de 1 cm de longo e 0.25 mm de ancho formará unha inductancia de 10 nH.
Indutancia do condutor = 0.0002LLN2LR-0.75 μH
Por exemplo, a inductancia dun fío de 1 mm de diámetro exterior de 0.5 cm de lonxitude é de 7.26 nh (2R = 0.5 mm, L = 1 cm)
Inductancia de banda condutora = 0.0002LLN2LW + H + 0.2235W + HL + 0.5μH
Por exemplo, a indutancia da banda condutora da placa de circuíto impreso de 1 mm de ancho de 0.25 cm é de 9.59 nh (H = 0.038 mm, W = 0.25 mm, L = 1 cm).
Non obstante, a reactancia indutiva adoita ser moito menor que o fluxo parasito e a tensión inducida do circuíto indutivo cortado. Débese minimizar a área do bucle porque a tensión inducida é proporcional á área do bucle. Isto é fácil de facer cando o cableado é de par trenzado.
Nas placas de circuítos impresos, os camiños de avance e retorno deben estar xuntos. Os pequenos cambios de cableado adoitan minimizar o impacto, ver a fonte A xunto co lazo B.
Reducir a área do lazo ou aumentar a distancia entre os lazos de acoplamento minimizará o efecto. A área do lazo adoita reducirse ao mínimo e maximízase a distancia entre os lazos de acoplamento. Ás veces é necesario un apantallamento magnético, pero é caro e propenso a fallos mecánicos, así que evíteo.
11. P: En preguntas e respostas para enxeñeiros de aplicacións, adóitase mencionar o comportamento non ideal dos circuítos integrados. Debería ser máis doado usar compoñentes sinxelos como resistencias. Explica a proximidade dos compoñentes ideais.
R: Só quero que unha resistencia sexa un dispositivo ideal, pero o cilindro curto á fronte dunha resistencia actúa exactamente como unha resistencia pura. A resistencia real tamén contén o compoñente de resistencia imaxinario: o compoñente de reactancia. A maioría das resistencias teñen unha pequena capacidade (normalmente de 1 a 3pF) en paralelo coa súa resistencia. Aínda que algunhas resistencias de película, o corte de ranura helicoidal nas súas películas resistivas é principalmente indutivo, a súa reactancia indutiva é de decenas ou centos de nahen (nH). Por suposto, as resistencias de feridas de arame son xeralmente indutivas e non capacitivas (polo menos a baixas frecuencias). Ao final, as resistencias de bobina están feitas en bobinas, polo que non é raro que as resistencias de bobina teñan indutancias de varios microhm (μH) ou decenas de microhm, ou incluso as chamadas resistencias de bobina “non indutivas” (onde a metade das bobinas están enrolladas no sentido horario e a outra metade no sentido antihorario). De xeito que a inductancia producida polas dúas metades da bobina se cancela) tamén ten 1μH ou máis de inductancia residual. Para as resistencias de bobina de arame de alto valor superiores a aproximadamente 10k ω, as resistencias restantes son na súa maioría capacitivas e non indutivas, e a capacidade é de ata 10pF, superior á das resistencias sintéticas ou de película fina. Esta reactancia debe ser considerada coidadosamente cando se proxectan circuítos de alta frecuencia que conteñan resistencias.
P: Pero moitos dos circuítos que describe úsanse para medicións precisas a frecuencias continuas ou moi baixas. Os indutores e condensadores perdidos son irrelevantes nestas aplicacións, non?
R: si. Debido a que os transistores (tanto discretos como dentro de circuítos integrados) teñen anchos de banda moi amplos, ás veces poden producirse oscilacións en centos ou miles de bandas de megahercios cando o circuíto remata cunha carga indutiva. As accións de compensación e rectificación asociadas ás oscilacións teñen malos efectos sobre a precisión e estabilidade de baixa frecuencia.
Peor aínda, é posible que as oscilacións non sexan visibles nun osciloscopio porque o ancho de banda do osciloscopio é demasiado baixo en comparación co ancho de banda das oscilacións de alta frecuencia que se están a medir ou porque a capacidade de carga da sonda do osciloscopio é suficiente para deter as oscilacións. O mellor método é empregar un analizador de espectro de banda ancha (baixa frecuencia a 15 GHz por riba) para comprobar se o sistema ten oscilacións parasitarias. Esta comprobación debería facerse cando a entrada varía en todo o rango dinámico, porque ás veces prodúcense oscilacións parasitarias nun rango moi reducido da banda de entrada.
P: ¿Hai algunha dúbida sobre as resistencias?
R: A resistencia dunha resistencia non é fixa, pero varía coa temperatura. O coeficiente de temperatura (TC) varía dende algúns PPM / ° C (millonésimas por grao centígrado) ata varios miles de PPM / ° C. As resistencias máis estables son as de bobina de arame ou as de película metálica, e as peores son as de película sintética.
Ás veces poden ser útiles grandes coeficientes de temperatura (pódese usar unha resistencia de + 3500ppm / ° C para compensar kT / Q na ecuación característica do diodo de unión, como se mencionou anteriormente en Q&AS para enxeñeiros de aplicacións). Pero en xeral a resistencia á temperatura pode ser unha fonte de erro nos circuítos de precisión.
Se a precisión do circuíto depende da coincidencia de dúas resistencias con coeficientes de temperatura diferentes, entón non importa o ben que coincida nunha temperatura, non coincidirá na outra. Mesmo se os coeficientes de temperatura de dúas resistencias coinciden, non hai garantía de que permanezan á mesma temperatura. A auto-calor xerada polo consumo interno de enerxía ou a calor externa transmitida desde unha fonte de calor no sistema pode causar desaxustes de temperatura, o que resulta en resistencia. Incluso as resistencias de alta calidade enroladas por fíos ou de metal poden ter desaxustes de temperatura de centos (ou incluso miles) de PPM / ℃. A solución obvia é empregar dúas resistencias construídas para que as dúas estean moi preto da mesma matriz, de xeito que a precisión do sistema se adapte en todo momento. O substrato pode ser obleas de silicio que simulan circuítos integrados precisos, obleas de vidro ou películas metálicas. Independentemente do substrato, as dúas resistencias coinciden ben durante a fabricación, teñen coeficientes de temperatura ben combinados e están case á mesma temperatura (porque están moi preto).