मुद्रित सर्किट बोर्ड कठिन समस्याएं और समाधान

प्रश्न: जैसा कि पहले सरल प्रतिरोधों के बारे में बताया गया है, कुछ प्रतिरोधक ऐसे होने चाहिए जिनका प्रदर्शन ठीक वैसा ही हो जैसा हम उम्मीद करते हैं। तार के एक खंड के प्रतिरोध का क्या होता है?
ए: स्थिति अलग है। संभवतः आप एक मुद्रित सर्किट बोर्ड में एक तार या एक प्रवाहकीय बैंड का जिक्र कर रहे हैं जो तार के रूप में कार्य करता है। चूंकि कमरे के तापमान के सुपरकंडक्टर्स अभी तक उपलब्ध नहीं हैं, धातु के तार की कोई भी लंबाई कम प्रतिरोध प्रतिरोधी (जो एक संधारित्र और प्रेरक के रूप में भी कार्य करती है) के रूप में कार्य करती है, और सर्किट पर इसके प्रभाव पर विचार किया जाना चाहिए।
2. प्रश्न: एक छोटे सिग्नल सर्किट में बहुत कम तांबे के तार का प्रतिरोध महत्वपूर्ण नहीं होना चाहिए?
ए: आइए 16k के इनपुट प्रतिबाधा के साथ 5-बिट एडीसी पर विचार करें। मान लें कि एडीसी इनपुट के लिए सिग्नल लाइन में 0.038 सेमी लंबाई के प्रवाहकीय बैंड के साथ एक विशिष्ट मुद्रित सर्किट बोर्ड (0.25 मिमी मोटा, 10 मिमी चौड़ा) होता है। कमरे के तापमान पर इसका प्रतिरोध लगभग 0.18 है, जो कि 5K ×2×2-16 से थोड़ा कम है और पूर्ण डिग्री पर 2LSB की लाभ त्रुटि उत्पन्न करता है।
यकीनन, इस समस्या को कम किया जा सकता है, जैसा कि पहले से ही है, मुद्रित सर्किट बोर्ड के प्रवाहकीय बैंड को व्यापक बनाया गया है। एनालॉग सर्किट में, आमतौर पर एक व्यापक बैंड का उपयोग करना बेहतर होता है, लेकिन कई पीसीबी डिजाइनर (और पीसीबी डिजाइनर) सिग्नल लाइन प्लेसमेंट की सुविधा के लिए न्यूनतम बैंड चौड़ाई का उपयोग करना पसंद करते हैं। अंत में, प्रवाहकीय बैंड के प्रतिरोध की गणना करना और सभी संभावित समस्याओं में इसकी भूमिका का विश्लेषण करना महत्वपूर्ण है।
3. प्रश्न: क्या प्रिंटेड सर्किट बोर्ड के पीछे बहुत बड़ी चौड़ाई और धातु की परत के साथ प्रवाहकीय बैंड की समाई में कोई समस्या है?
ए: यह एक छोटा सा सवाल है। हालांकि मुद्रित सर्किट बोर्ड के प्रवाहकीय बैंड से समाई महत्वपूर्ण है (यहां तक ​​​​कि कम आवृत्ति सर्किट के लिए भी, जो उच्च आवृत्ति परजीवी दोलन उत्पन्न कर सकता है), इसका हमेशा पहले अनुमान लगाया जाना चाहिए। यदि ऐसा नहीं है, तो एक विस्तृत प्रवाहकीय बैंड जो एक बड़ी धारिता बनाता है, कोई समस्या नहीं है। यदि समस्याएँ उत्पन्न होती हैं, तो पृथ्वी की धारिता को कम करने के लिए ग्राउंड प्लेन के एक छोटे से क्षेत्र को हटाया जा सकता है।
प्रश्न: इस प्रश्न को एक पल के लिए छोड़ दें! ग्राउंडिंग प्लेन क्या है?
ए: यदि ग्राउंडिंग के लिए एक मुद्रित सर्किट बोर्ड (या एक बहुपरत मुद्रित सर्किट बोर्ड की पूरी इंटरलेयर) की पूरी तरफ तांबे की पन्नी का उपयोग किया जाता है, तो इसे हम ग्राउंडिंग प्लेन कहते हैं। किसी भी जमीन के तार को सबसे छोटे संभव प्रतिरोध और अधिष्ठापन के साथ व्यवस्थित किया जाएगा। यदि कोई सिस्टम अर्थिंग प्लेन का उपयोग करता है, तो अर्थिंग शोर से प्रभावित होने की संभावना कम होती है। इसके अलावा, ग्राउंडिंग प्लेन में परिरक्षण और शीतलन का कार्य भी होता है
प्रश्न: यहां उल्लिखित ग्राउंडिंग प्लेन निर्माताओं के लिए मुश्किल है, है ना?
ए: 20 साल पहले कुछ समस्याएं थीं। आज प्रिंटेड सर्किट बोर्ड में बाइंडर, सोल्डर रेजिस्टेंस और वेव सोल्डरिंग तकनीक के सुधार के कारण ग्राउंडिंग प्लेन का निर्माण प्रिंटेड सर्किट बोर्ड का नियमित संचालन बन गया है।
प्रश्न: आपने कहा था कि ग्राउंड प्लेन का उपयोग करके सिस्टम को ग्राउंड नॉइज़ में उजागर करने की संभावना बहुत कम है। जमीनी शोर की समस्या का क्या अवशेष है जिसे हल नहीं किया जा सकता है?
ए: ग्राउंडेड नॉइज़ सिस्टम के बेसिक सर्किट में ग्राउंड प्लेन होता है, लेकिन इसका प्रतिरोध और इंडक्शन शून्य नहीं होता है – अगर बाहरी करंट सोर्स काफी मजबूत है, तो यह सटीक सिग्नल को प्रभावित करेगा। मुद्रित सर्किट बोर्डों को ठीक से व्यवस्थित करके इस समस्या को कम किया जा सकता है ताकि उच्च धारा उन क्षेत्रों में प्रवाहित न हो जो सटीक संकेतों के ग्राउंडिंग वोल्टेज को प्रभावित करते हैं। कभी-कभी ग्राउंड प्लेन में ब्रेक या स्लिट संवेदनशील क्षेत्र से बड़े ग्राउंडिंग करंट को डायवर्ट कर सकता है, लेकिन ग्राउंड प्लेन को जबरन बदलने से सिग्नल को संवेदनशील क्षेत्र में भी डायवर्ट किया जा सकता है, इसलिए इस तरह की तकनीक का इस्तेमाल सावधानी से किया जाना चाहिए।
प्रश्न: ग्राउंडेड प्लेन पर उत्पन्न वोल्टेज ड्रॉप को मैं कैसे जान सकता हूं?
ए: आमतौर पर वोल्टेज ड्रॉप को मापा जा सकता है, लेकिन कभी-कभी ग्राउंडिंग प्लेन में सामग्री के प्रतिरोध के आधार पर गणना की जा सकती है (तांबे के नाममात्र 1 औंस में 045m /□ का प्रतिरोध होता है) और लंबाई प्रवाहकीय बैंड जिसके माध्यम से करंट गुजरता है, हालांकि गणना जटिल हो सकती है। डीसी से कम आवृत्ति (50kHz) रेंज में वोल्टेज को AMP02 या AD620 जैसे इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायरों से मापा जा सकता है।
एम्पलीफायर लाभ 1000 पर सेट किया गया था और 5mV/div की संवेदनशीलता के साथ एक आस्टसीलस्कप से जुड़ा था। एम्पलीफायर की आपूर्ति उसी शक्ति स्रोत से की जा सकती है जैसे परीक्षण के तहत सर्किट, या अपने स्वयं के शक्ति स्रोत से। हालांकि, अगर एम्पलीफायर ग्राउंड को उसके पावर बेस से अलग किया जाता है, तो ऑसिलोस्कोप को इस्तेमाल किए गए पावर सर्किट के पावर बेस से जोड़ा जाना चाहिए।
जमीनी तल पर किन्हीं दो बिंदुओं के बीच के प्रतिरोध को दो बिंदुओं में एक जांच जोड़कर मापा जा सकता है। एम्पलीफायर लाभ और आस्टसीलस्कप संवेदनशीलता का संयोजन माप संवेदनशीलता को 5μV / div तक पहुंचने में सक्षम बनाता है। एम्पलीफायर से शोर ऑसिलोस्कोप तरंग वक्र की चौड़ाई को लगभग 3μV तक बढ़ा देगा, लेकिन लगभग 1μV के संकल्प को प्राप्त करना अभी भी संभव है – 80% आत्मविश्वास के साथ अधिकांश जमीनी शोर को अलग करने के लिए पर्याप्त है।
प्रश्न: उपरोक्त परीक्षण विधि के बारे में क्या ध्यान दिया जाना चाहिए?
ए: कोई भी वैकल्पिक चुंबकीय क्षेत्र जांच लीड पर वोल्टेज को प्रेरित करेगा, जिसे एक दूसरे को जांच को शॉर्ट-सर्किट करके (और जमीन प्रतिरोध के लिए एक विक्षेपण पथ प्रदान करके) और ऑसिलोस्कोप तरंग को देखकर परीक्षण किया जा सकता है। मनाया गया एसी तरंग प्रेरण के कारण होता है और इसे लीड की स्थिति को बदलकर या चुंबकीय क्षेत्र को खत्म करने की कोशिश करके कम किया जा सकता है। इसके अलावा, यह सुनिश्चित करना आवश्यक है कि एम्पलीफायर की ग्राउंडिंग सिस्टम की ग्राउंडिंग से जुड़ी हो। यदि एम्पलीफायर का यह कनेक्शन है तो कोई विक्षेपण वापसी पथ नहीं है और एम्पलीफायर काम नहीं करेगा। ग्राउंडिंग को यह भी सुनिश्चित करना चाहिए कि उपयोग की जाने वाली ग्राउंडिंग विधि परीक्षण के तहत सर्किट के वर्तमान वितरण में हस्तक्षेप नहीं करती है।
प्रश्न: उच्च आवृत्ति ग्राउंडिंग शोर को कैसे मापें?
ए: उपयुक्त वाइडबैंड इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर के साथ एचएफ ग्राउंड शोर को मापना मुश्किल है, इसलिए एचएफ और वीएचएफ निष्क्रिय जांच उपयुक्त हैं। इसमें फेराइट मैग्नेटिक रिंग (6 ~ 8 मिमी का बाहरी व्यास) होता है, जिसमें प्रत्येक में 6 ~ 10 के दो कॉइल होते हैं। एक उच्च आवृत्ति अलगाव ट्रांसफार्मर बनाने के लिए, एक कॉइल स्पेक्ट्रम विश्लेषक इनपुट से जुड़ा होता है और दूसरा जांच से जुड़ा होता है।
परीक्षण विधि कम आवृत्ति के मामले के समान है, लेकिन स्पेक्ट्रम विश्लेषक शोर का प्रतिनिधित्व करने के लिए आयाम-आवृत्ति विशेषता घटता का उपयोग करता है। समय डोमेन गुणों के विपरीत, शोर स्रोतों को उनकी आवृत्ति विशेषताओं के आधार पर आसानी से पहचाना जा सकता है। इसके अलावा, स्पेक्ट्रम विश्लेषक की संवेदनशीलता ब्रॉडबैंड आस्टसीलस्कप की तुलना में कम से कम 60dB अधिक है।
प्रश्न: तार के अधिष्ठापन के बारे में क्या?
ए: उच्च आवृत्तियों पर कंडक्टर और पीसीबी प्रवाहकीय बैंड के अधिष्ठापन को नजरअंदाज नहीं किया जा सकता है। एक सीधे तार और एक प्रवाहकीय बैंड के अधिष्ठापन की गणना करने के लिए, यहां दो सन्निकटन पेश किए गए हैं।
उदाहरण के लिए, एक प्रवाहकीय बैंड 1cm लंबा और 0.25mm चौड़ा 10nH का अधिष्ठापन बनाएगा।
कंडक्टर अधिष्ठापन = 0.0002LLN2LR-0.75 μH
उदाहरण के लिए, 1 सेमी लंबे 0.5 मिमी बाहरी व्यास तार का अधिष्ठापन 7.26nh (2R=0.5mm,L=1cm) है
प्रवाहकीय बैंड अधिष्ठापन = 0.0002LLN2LW +H+0.2235W+HL+0.5μH
उदाहरण के लिए, 1cm चौड़े 0.25mm प्रिंटेड सर्किट बोर्ड कंडक्टिव बैंड का इंडक्शन 9.59nh (H=0.038mm,W=0.25mm,L=1cm) है।
हालांकि, आगमनात्मक प्रतिक्रिया आमतौर पर परजीवी प्रवाह और कट प्रेरक सर्किट के प्रेरित वोल्टेज से बहुत छोटी होती है। लूप क्षेत्र को कम से कम किया जाना चाहिए क्योंकि प्रेरित वोल्टेज लूप क्षेत्र के समानुपाती होता है। यह करना आसान है जब वायरिंग मुड़-जोड़ी हो।
मुद्रित सर्किट बोर्डों में, लीड और वापसी पथ एक साथ पास होने चाहिए। छोटे वायरिंग परिवर्तन अक्सर प्रभाव को कम करते हैं, स्रोत ए को कम ऊर्जा लूप बी के साथ देखें।
लूप क्षेत्र को कम करने या युग्मन छोरों के बीच की दूरी बढ़ाने से प्रभाव कम हो जाएगा। लूप क्षेत्र आमतौर पर न्यूनतम तक कम हो जाता है और युग्मन लूप के बीच की दूरी को अधिकतम किया जाता है। कभी-कभी चुंबकीय परिरक्षण की आवश्यकता होती है, लेकिन यह महंगा है और यांत्रिक विफलता की संभावना है, इसलिए इससे बचें।
11. प्रश्न: अनुप्रयोग इंजीनियरों के लिए प्रश्नोत्तर में, एकीकृत सर्किट के गैर-आदर्श व्यवहार का अक्सर उल्लेख किया जाता है। प्रतिरोधों जैसे सरल घटकों का उपयोग करना आसान होना चाहिए। आदर्श घटकों की निकटता की व्याख्या कीजिए।
ए: मैं चाहता हूं कि एक रोकनेवाला एक आदर्श उपकरण हो, लेकिन एक रोकनेवाला के नेतृत्व में छोटा सिलेंडर बिल्कुल शुद्ध अवरोधक की तरह काम करता है। वास्तविक प्रतिरोधी में काल्पनिक प्रतिरोध घटक भी होता है – प्रतिक्रिया घटक। अधिकांश प्रतिरोधों में उनके प्रतिरोध के समानांतर एक छोटी धारिता (आमतौर पर 1 से 3pF) होती है। हालांकि कुछ फिल्म रेसिस्टर्स, उनकी प्रतिरोधक फिल्मों में हेलिकल ग्रूव कटिंग ज्यादातर इंडक्टिव होती है, उनकी इंडक्टिव रिएक्शन दसियों या सैकड़ों नाहेन (एनएच) होती है। बेशक, तार घाव प्रतिरोध आमतौर पर कैपेसिटिव (कम से कम कम आवृत्तियों पर) के बजाय आगमनात्मक होते हैं। आखिरकार, वायर-वाउंड रेसिस्टर्स कॉइल्स से बने होते हैं, इसलिए वायर-वाउंड रेसिस्टर्स के लिए कई माइक्रोह्म (μH) या माइक्रोहम के दसियों या तथाकथित “नॉन-इंडक्टिव” वायर-वाउंड रेसिस्टर्स का इंडक्शन होना असामान्य नहीं है। (जहां आधे कुंडल दक्षिणावर्त और दूसरे आधे वामावर्त हैं)। ताकि कॉइल के दो हिस्सों से उत्पन्न इंडक्शन एक दूसरे को रद्द कर दे) में भी 1μH या अधिक अवशिष्ट इंडक्शन हो। लगभग 10k से ऊपर के उच्च-मूल्य वाले तार-घाव प्रतिरोधों के लिए, शेष प्रतिरोधक आगमनात्मक के बजाय अधिकतर कैपेसिटिव होते हैं, और समाई 10pF तक होती है, जो मानक पतली फिल्म या सिंथेटिक प्रतिरोधों की तुलना में अधिक होती है। प्रतिरोधों वाले उच्च-आवृत्ति वाले सर्किटों को डिजाइन करते समय इस प्रतिक्रिया पर सावधानीपूर्वक विचार किया जाना चाहिए।
प्रश्न: लेकिन आपके द्वारा वर्णित कई सर्किट डीसी या बहुत कम आवृत्तियों पर सटीक माप के लिए उपयोग किए जाते हैं। इन अनुप्रयोगों में आवारा प्रेरक और आवारा कैपेसिटर अप्रासंगिक हैं, है ना?
ए: हाँ। चूंकि ट्रांजिस्टर (असतत और एकीकृत सर्किट दोनों) में बहुत व्यापक बैंड चौड़ाई होती है, सर्किट कभी-कभी सैकड़ों या हजारों मेगाहर्ट्ज बैंड में हो सकता है जब सर्किट एक अपरिवर्तनीय भार के साथ समाप्त होता है। दोलनों से जुड़ी ऑफसेट और सुधार क्रियाओं का कम आवृत्ति सटीकता और स्थिरता पर बुरा प्रभाव पड़ता है।
इससे भी बदतर, ऑसिलोस्कोप पर दोलन दिखाई नहीं दे सकते हैं क्योंकि ऑसिलोस्कोप की बैंडविड्थ मापी जा रही उच्च आवृत्ति दोलनों की बैंडविड्थ की तुलना में बहुत कम है, या क्योंकि ऑसिलोस्कोप जांच की चार्ज क्षमता दोलनों को रोकने के लिए पर्याप्त है। परजीवी दोलनों के लिए प्रणाली की जांच करने के लिए एक विस्तृत बैंड (ऊपर 15GHz से कम आवृत्ति) स्पेक्ट्रम विश्लेषक का उपयोग करना सबसे अच्छा तरीका है। यह जांच तब की जानी चाहिए जब इनपुट संपूर्ण गतिशील रेंज में भिन्न होता है, क्योंकि परजीवी दोलन कभी-कभी इनपुट बैंड की एक बहुत ही संकीर्ण सीमा में होते हैं।
प्रश्न: क्या प्रतिरोधों के बारे में कोई प्रश्न हैं?
ए: एक प्रतिरोधी का प्रतिरोध निश्चित नहीं है, लेकिन तापमान के साथ बदलता रहता है। तापमान गुणांक (टीसी) कुछ पीपीएम / डिग्री सेल्सियस (मिलियनवें प्रति डिग्री सेल्सियस) से कई हजार पीपीएम / डिग्री सेल्सियस तक भिन्न होता है। सबसे स्थिर प्रतिरोधक तार घाव या धातु फिल्म प्रतिरोधी हैं, और सबसे खराब सिंथेटिक कार्बन फिल्म प्रतिरोधी हैं।
बड़े तापमान गुणांक कभी-कभी उपयोगी हो सकते हैं (एक +3500ppm/°C रोकनेवाला का उपयोग जंक्शन डायोड विशेषता समीकरण में kT/Q के लिए क्षतिपूर्ति करने के लिए किया जा सकता है, जैसा कि पहले अनुप्रयोग इंजीनियरों के लिए Q&AS में उल्लेख किया गया है)। लेकिन सामान्य तौर पर तापमान के साथ प्रतिरोध सटीक सर्किट में त्रुटि का स्रोत हो सकता है।
यदि सर्किट की शुद्धता अलग-अलग तापमान गुणांक वाले दो प्रतिरोधों के मेल पर निर्भर करती है, तो एक तापमान पर कितनी भी अच्छी तरह से मेल खाता हो, यह दूसरे पर मेल नहीं खाएगा। भले ही दो प्रतिरोधों के तापमान गुणांक मेल खाते हों, इस बात की कोई गारंटी नहीं है कि वे एक ही तापमान पर बने रहेंगे। आंतरिक बिजली की खपत या सिस्टम में गर्मी स्रोत से प्रेषित बाहरी गर्मी से उत्पन्न स्व-गर्मी तापमान बेमेल का कारण बन सकती है, जिसके परिणामस्वरूप प्रतिरोध हो सकता है। यहां तक ​​​​कि उच्च-गुणवत्ता वाले तार-घाव या धातु-फिल्म प्रतिरोधों में सैकड़ों (या हजारों) पीपीएम / ℃ का तापमान बेमेल हो सकता है। स्पष्ट समाधान दो प्रतिरोधों का उपयोग करना है ताकि वे दोनों एक ही मैट्रिक्स के बहुत करीब हों, ताकि सिस्टम की सटीकता हर समय अच्छी तरह से मेल खा सके। सब्सट्रेट सिलिकॉन वेफर्स हो सकता है जो सटीक एकीकृत सर्किट, ग्लास वेफर्स या धातु फिल्मों का अनुकरण करता है। सब्सट्रेट के बावजूद, दो प्रतिरोधक निर्माण के दौरान अच्छी तरह से मेल खाते हैं, अच्छी तरह से मेल खाने वाले तापमान गुणांक होते हैं, और लगभग एक ही तापमान पर होते हैं (क्योंकि वे बहुत करीब होते हैं)।