Tiskana pločica teških problema i rješenja

P: Kao što je ranije spomenuto o jednostavnim otpornicima, mora postojati neki otpornik čija je izvedba upravo ono što očekujemo. Što se događa s otporom dijela žice?
O: Situacija je drugačija. Vjerojatno mislite na žicu ili vodljivi pojas na tiskanoj ploči koji djeluje kao žica. Budući da supravodiči sobne temperature još nisu dostupni, bilo koja duljina metalne žice djeluje kao otpornik niskog otpora (koji također djeluje i kao kondenzator i induktor), pa se mora uzeti u obzir njezin utjecaj na krug.
2. P: Otpor vrlo kratke bakrene žice u malom signalnom krugu ne smije biti važan?
O: Razmotrimo 16-bitni ADC s ulaznom impedancijom 5k ω. Pretpostavimo da se signalni vod na ADC ulaz sastoji od tipične tiskane ploče (debljine 0.038 mm, širine 0.25 mm) s vodljivim pojasom duljine 10 cm. Ima otpor od oko 0.18 ω na sobnoj temperaturi, što je malo manje od 5K ω × 2 × 2-16 i proizvodi pogrešku pojačanja od 2LSB pri punom stupnju.
Vjerojatno bi se ovaj problem mogao ublažiti ako se, kao što već jest, proširi vodljivi pojas tiskane ploče. U analognim krugovima općenito je poželjnije koristiti širi pojas, ali mnogi dizajneri PCB -a (i dizajneri PCB -a) radije koriste minimalnu širinu pojasa kako bi olakšali postavljanje signalne linije. Zaključno, važno je izračunati otpor vodljivog pojasa i analizirati njegovu ulogu u svim mogućim problemima.
3. P: Postoji li problem s kapacitetom vodljivog pojasa prevelike širine i metalnim slojem na stražnjoj strani TISKANE ploče?
O: To je malo pitanje. Iako je kapacitet iz vodljivog područja tiskane pločice važan (čak i za niskofrekventne krugove koji mogu proizvesti visokofrekventne parazitske oscilacije), uvijek ga treba prvo procijeniti. Ako to nije slučaj, čak ni široki vodljivi pojas koji tvori veliki kapacitet nije problem. Ako se pojave problemi, može se ukloniti mala površina uzemljenja kako bi se smanjio kapacitet zemlje.
P: Ostavite ovo pitanje na trenutak! Što je ravnina uzemljenja?
O: Ako se za uzemljenje koristi bakrena folija sa cijele strane TISKANE pločice (ili cijelog međusloja višeslojne tiskane ploče), to je ono što nazivamo ravninom uzemljenja. Bilo koja žica za uzemljenje mora biti postavljena s najmanjim mogućim otporom i induktivnošću. Ako sustav koristi ravninu uzemljenja, manja je vjerojatnost da će na nju utjecati buka uzemljenja. Osim toga, ravnina uzemljenja ima i funkciju zaštite i hlađenja
P: Ovdje spomenuti avion za uzemljenje je težak za proizvođače, zar ne?
O: Prije 20 godina bilo je nekih problema. Danas je, zbog poboljšanja veziva, otpora lemljenja i tehnologije lemljenja valova u tiskanim pločicama, proizvodnja uzemljenja postala rutinski rad tiskanih ploča.
P: Rekli ste da je mogućnost izlaganja sustava buci na tlu korištenjem uzemljenja vrlo mala. Što ostaje od problema s bukom u tlu koje se ne može riješiti?
O: Osnovni krug uzemljenog sustava šuma ima ravninu uzemljenja, ali njegov otpor i induktivnost nisu nula – ako je vanjski izvor struje dovoljno jak, to će utjecati na precizne signale. Ovaj se problem može minimizirati pravilnim postavljanjem tiskanih pločica tako da velika struja ne teče u područja koja utječu na napon uzemljenja preciznih signala. Ponekad prekid ili prorez u ravnini uzemljenja može preusmjeriti veliku struju uzemljenja s osjetljivog područja, ali nasilno mijenjanje uzemljenja također može preusmjeriti signal u osjetljivo područje, pa se takva tehnika mora koristiti oprezno.
P: Kako mogu znati pad napona generiran na uzemljenoj ravnini?
O: obično se može izmjeriti pad napona, ali ponekad se mogu izvršiti proračuni na temelju otpora materijala u ravnini uzemljenja (nominalna 1 unca bakra ima otpor 045m ω /□) i duljine vodljivi pojas kroz koji struja prolazi, iako se proračuni mogu zakomplicirati. Naponi u rasponu od dc do niske frekvencije (50kHz) mogu se mjeriti instrumentalnim pojačalima poput AMP02 ili AD620.
Pojačalo pojačala postavljeno je na 1000 i spojeno na osciloskop osjetljivosti 5mV/div. Pojačalo se može napajati iz istog izvora napajanja kao i ispitivani krug ili iz vlastitog izvora napajanja. Međutim, ako je masa pojačala odvojena od baze napajanja, osciloskop mora biti spojen na bazu napajanja korištenog strujnog kruga.
Otpor između bilo koje dvije točke na ravnini tla može se mjeriti dodavanjem sonde na dvije točke. Kombinacija pojačanja pojačala i osjetljivosti osciloskopa omogućuje osjetljivost mjerenja da dosegne 5μV/div. Buka iz pojačala povećat će širinu krivulje valnog oblika osciloskopa za oko 3μV, ali je još uvijek moguće postići razlučivost od oko 1μV – dovoljno da se s najviše 80% pouzdanosti razlikuje većina šuma na tlu.
P: Što treba napomenuti o gornjoj metodi ispitivanja?
O: Bilo koje izmjenično magnetsko polje izazvat će napon na vodiču sonde, što se može testirati kratkim spojem sondi (i osiguravanjem putanje otklona do otpora uzemljenja) i promatranjem valnog oblika osciloskopa. Uočeni oblik valnog izmjeničnog napona posljedica je indukcije i može se minimizirati promjenom položaja elektrode ili pokušajem uklanjanja magnetskog polja. Osim toga, potrebno je osigurati da je uzemljenje pojačala spojeno na uzemljenje sustava. Ako pojačalo ima ovu vezu, nema povratnog puta skretanja i pojačalo neće raditi. Uzemljenje bi također trebalo osigurati da korištena metoda uzemljenja ne ometa trenutnu raspodjelu ispitivanog kruga.
P: Kako mjeriti visokofrekventni šum uzemljenja?
O: Teško je mjeriti hf šum zemlje s odgovarajućim širokopojasnim instrumentacijskim pojačalom, pa su prikladne hf i VHF pasivne sonde. Sastoji se od feritnog magnetskog prstena (vanjski promjer 6 ~ 8 mm) s dvije zavojnice od po 6 ~ 10 zavoja. Za formiranje visokofrekventnog izolacijskog transformatora jedna je zavojnica spojena na ulaz analizatora spektra, a druga na sondu.
Metoda ispitivanja slična je slučaju niskih frekvencija, ali analizator spektra koristi amplitudno-frekvencijske karakteristične krivulje za predstavljanje šuma. Za razliku od svojstava vremenske domene, izvori šuma mogu se lako razlikovati na temelju njihovih frekvencijskih karakteristika. Osim toga, osjetljivost analizatora spektra najmanje je 60 dB veća od osjetljivosti širokopojasnog osciloskopa.
P: Što je s induktivnošću žice?
O: Induktivnost vodiča i vodljivih pojaseva PCB -a ne može se zanemariti na višim frekvencijama. Kako bi se izračunao induktivitet ravne žice i vodljivog pojasa, ovdje se uvode dvije aproksimacije.
Na primjer, vodljiva traka duljine 1 cm i širine 0.25 mm tvorit će induktivitet od 10 nH.
Induktivnost vodiča = 0.0002LLN2LR-0.75 μH
Na primjer, induktivnost žice vanjskog promjera 1 mm dugačke 0.5 cm iznosi 7.26 nh (2R = 0.5 mm, L = 1 cm)
Induktivnost vodljivog pojasa = 0.0002LLN2LW+H+0.2235W+HL+0.5μH
Na primjer, induktivnost vodljive trake tiskanih ploča širine 1 cm širine 0.25 cm iznosi 9.59 nh (H = 0.038 mm, Š = 0.25 mm, L = 1 cm).
Međutim, induktivna reaktansa obično je mnogo manja od parazitskog toka i induciranog napona prekinutog induktivnog kruga. Područje petlje mora se minimizirati jer je inducirani napon proporcionalan površini petlje. To je lako učiniti kada je ožičenje upleteno.
U tiskanim pločicama vodići i povratni putevi trebaju biti bliski. Male promjene ožičenja često minimiziraju utjecaj, pogledajte izvor A povezan s niskoenergetskom petljom B.
Smanjivanjem površine petlje ili povećanjem udaljenosti između petlji spojke minimizirat će se učinak. Područje petlje obično se smanjuje na najmanju moguću mjeru, a udaljenost između petlji za spajanje se povećava. Magnetska zaštita ponekad je potrebna, ali je skupa i sklona mehaničkim kvarima, stoga je izbjegavajte.
11. P: U pitanjima i odgovorima za aplikacijske inženjere često se spominje neidealno ponašanje integriranih sklopova. Trebalo bi biti lakše koristiti jednostavne komponente poput otpornika. Objasnite blizinu idealnih komponenti.
O: Samo želim da otpornik bude idealan uređaj, ali kratki cilindar na vrhu otpornika djeluje točno kao čisti otpornik. Stvarni otpornik također sadrži zamišljenu komponentu otpora – komponentu reaktanse. Većina otpornika ima mali kapacitet (tipično 1 do 3pF) paralelno s njihovim otporom. Iako su neki otpornici na film, rezanje spiralnih utora u njihovim otpornim filmovima uglavnom induktivno, njihova induktivna reaktancija iznosi desetke ili stotine nahena (nH). Naravno, otpori namotavanja žice općenito su induktivni, a ne kapacitivni (barem na niskim frekvencijama). Uostalom, žičani otpornici izrađeni su od zavojnica, pa nije rijetkost da otpornici s namotanim žicama imaju induktivitet od nekoliko mikrohm (μH) ili desetke mikrohma, pa čak i takozvane „neinduktivne“ otpornike sa žicom (gdje je polovica zavojnica namotana u smjeru kazaljke na satu, a druga polovica u smjeru suprotnom od kazaljke na satu). Tako da se induktivnost koju proizvode dvije polovice zavojnice međusobno poništava) također ima 1μH ili više zaostale induktivnosti. Za vrijedne žičane otpornike iznad približno 10k ω, preostali otpornici su uglavnom kapacitivni, a ne induktivni, a kapacitet je do 10pF, veći od onog kod standardnih tankoslojnih ili sintetičkih otpornika. Ova se reaktansa mora pažljivo uzeti u obzir pri projektiranju visokofrekventnih krugova koji sadrže otpornike.
P: Ali mnogi krugovi koje opisujete koriste se za precizna mjerenja na istosmjernim ili vrlo niskim frekvencijama. Zavodnici lutalice i zalutali kondenzatori nisu važni u ovim aplikacijama, zar ne?
O: da. Budući da tranzistori (i diskretni i unutar integriranih krugova) imaju vrlo široke širine pojasa, ponekad se mogu pojaviti oscilacije u stotinama ili tisućama megahercnih pojasa kada krug završi s induktivnim opterećenjem. Postupci pomaka i ispravljanja povezani s oscilacijama imaju loš učinak na točnost i stabilnost niske frekvencije.
Što je još gore, osciloze možda neće biti vidljive niti zbog toga što je širina pojasa osciloskopa premala u usporedbi s propusnim opsegom visokofrekventnih oscilacija koje se mjere, ili zato što je kapacitet naboja sonde osciloskopa dovoljan da zaustavi osciloze. Najbolja metoda je korištenje širokog pojasa (niske frekvencije do 15GHz iznad) analizatora spektra za provjeru sustava na parazitske oscilacije. Ovu provjeru treba obaviti kada ulaz varira u cijelom dinamičkom rasponu, jer se parazitske oscilacije ponekad pojavljuju u vrlo uskom rasponu ulaznog pojasa.
P: Ima li pitanja o otpornicima?
O: Otpor otpornika nije stabilan, ali varira ovisno o temperaturi. Temperaturni koeficijent (TC) varira od nekoliko PPM /° C (milijunti dio po stupnju Celzijusa) do nekoliko tisuća PPM /° C. Najstabilniji otpornici su otpornici namotani žicom ili metalni film, a najgori otpornici od sintetičkog ugljičnog filma.
Veliki temperaturni koeficijenti ponekad mogu biti korisni (otpornik od +3500ppm/ ° C može se koristiti za kompenzaciju kT/ Q u jednadžbi karakteristika spojne diode, kao što je ranije spomenuto u pitanjima i odgovorima za inženjere za primjenu). No općenito otpor s temperaturom može biti izvor pogreške u preciznim krugovima.
Ako preciznost kruga ovisi o podudaranju dva otpornika s različitim temperaturnim koeficijentima, bez obzira koliko dobro usklađeni na jednoj temperaturi, neće se podudarati s drugom. Čak i ako se temperaturni koeficijenti dva otpornika podudaraju, nema jamstva da će ostati na istoj temperaturi. Samozagrijavanje koje stvara unutarnja potrošnja energije ili vanjska toplina koja se prenosi iz izvora topline u sustavu može uzrokovati neusklađenost temperature, što rezultira otporom. Čak i visokokvalitetni otpornici namotani u žicu ili metalni film mogu imati temperaturne neusklađenosti stotine (ili čak tisuće) PPM / ℃. Očigledno rješenje je korištenje dva otpornika izgrađena tako da su oba vrlo blizu iste matrice, tako da se točnost sustava u svakom trenutku dobro podudara. Podloga može biti silikonska pločica koja simulira precizna integrirana kola, staklene pločice ili metalni filmovi. Bez obzira na podlogu, dva otpornika dobro se slažu tijekom proizvodnje, imaju dobro usklađene temperaturne koeficijente i na gotovo su istoj temperaturi (jer su toliko blizu).