Nyomtatott áramkör nehéz problémák és megoldások

K: Amint azt korábban az egyszerű ellenállásokkal kapcsolatban említettük, kell lennie néhány olyan ellenállásnak, amelyek teljesítménye pontosan az, amit elvárunk. Mi történik a huzalszakasz ellenállásával?
V: Más a helyzet. Valószínűleg egy drótra vagy egy vezetőképes sávra utal a nyomtatott áramkörben, amely huzalként működik. Mivel szobahőmérsékletű szupravezetők még nem állnak rendelkezésre, a fémhuzalok bármilyen hosszúsága kis ellenállású ellenállásként működik (amely kondenzátorként és induktivitásként is működik), és figyelembe kell venni az áramkörre gyakorolt ​​hatását.
2. K: Egy nagyon rövid rézhuzal ellenállása egy kis jeláramkörben nem lehet fontos?
V: Tekintsünk egy 16 bites ADC-t 5k input bemeneti impedanciával. Tegyük fel, hogy az ADC bemenethez vezető jelvezeték egy tipikus nyomtatott áramköri lapból áll (0.038 mm vastag, 0.25 mm széles), 10 cm hosszú vezetőképes sávval. Az ellenállása szobahőmérsékleten körülbelül 0.18 ω, ami valamivel kevesebb, mint 5K × 2 × 2-16, és 2LSB erősítési hibát eredményez teljes fokon.
Ez a probléma vélhetően enyhíthető, ha – ahogy az már van – a NYOMTATOTT áramköri lap vezetősávját szélesebbre tesszük. Analóg áramkörökben általában előnyösebb szélesebb sávot használni, de sok NYÁK -tervező (és NYÁK -tervező) inkább a minimális sávszélességet használja a jelvezeték elhelyezésének megkönnyítése érdekében. Összefoglalva: fontos kiszámítani a vezető sáv ellenállását, és elemezni szerepét minden lehetséges problémában.
3. K: Probléma van a túl nagy szélességű vezető szalag kapacitásával és a NYOMTATOTT áramköri lap hátoldalán lévő fémréteggel?
V: Ez egy kicsi kérdés. Bár a NYOMTATott áramköri kártya vezető sávjának kapacitása fontos (még az alacsony frekvenciájú áramkörök esetében is, amelyek nagyfrekvenciás parazita rezgéseket okozhatnak), mindig először meg kell becsülni. Ha ez nem így van, akkor még egy széles vezetőképes sáv sem, amely nagy kapacitást képez. Ha problémák merülnek fel, a földelési sík kis részét el lehet távolítani, hogy csökkentse a földelési kapacitást.
K: Hagyd ezt a kérdést egy pillanatra! Mi a földelő sík?
V: Ha a NYOMTATott áramköri lap teljes oldalán (vagy egy többrétegű nyomtatott áramköri lap teljes közbenső rétegében) rézfóliát használnak a földeléshez, akkor ezt hívjuk földelő síknak. Minden földelővezetéket a lehető legkisebb ellenállással és induktivitással kell elrendezni. Ha egy rendszer földelő síkot használ, kevésbé valószínű, hogy a földelési zaj befolyásolja. Ezenkívül a földelő sík árnyékolás és hűtés funkciót is ellát
K: Az itt említett földelő sík nehéz a gyártóknak, ugye?
V: 20 évvel ezelőtt voltak problémák. Napjainkban a nyomtatott áramköri lapok kötőanyagának, forrasztási ellenállásának és hullámforrasztási technológiájának fejlesztése miatt a földelő sík gyártása a nyomtatott áramköri lapok rutinműveletévé vált.
K: Ön azt mondta, hogy nagyon kicsi annak a lehetősége, hogy egy rendszert földi zajnak tegyen ki földi sík használatával. Mi marad a talajzaj problémájából, amelyet nem lehet megoldani?
V: A földelt zajrendszer alap áramkörének van egy földi síkja, de ellenállása és induktivitása nem nulla – ha a külső áramforrás elég erős, akkor befolyásolja a pontos jeleket. Ez a probléma minimalizálható a nyomtatott áramköri lapok megfelelő elrendezésével, hogy a nagy áram ne áramoljon olyan helyekre, amelyek befolyásolják a precíziós jelek földelési feszültségét. Néha a törés vagy a rés az alaplapon nagy földelő áramot terelhet el az érzékeny területről, de az alaplap erőszakos megváltoztatása a jelet az érzékeny területre is terelheti, ezért óvatosan kell használni ezt a technikát.
K: Honnan tudhatom a földelt síkon keletkező feszültségesést?
V: általában a feszültségcsökkenést lehet mérni, de néha számításokat is lehet végezni a földelő síkban lévő anyag ellenállása alapján (névleges 1 uncia réz ellenállása 045 m ω /□) és a vezető sáv, amelyen az áram áthalad, bár a számítások bonyolultak lehetnek. Az egyenáramú és az alacsony frekvenciájú (50 kHz) tartomány feszültségei mérhetők műszererősítőkkel, például AMP02 vagy AD620.
Az erősítő erősítését 1000 -re állították be, és egy 5 mV/div érzékenységű oszcilloszkóphoz kötötték. Az erősítőt ugyanabból az áramforrásból lehet táplálni, mint a vizsgált áramkört, vagy saját áramforrásából. Ha azonban az erősítő testét leválasztják a tápegységtől, az oszcilloszkópot csatlakoztatni kell a használt áramkör tápellátásához.
Az alap sík bármely két pontja közötti ellenállás mérhető úgy, hogy szondát adunk a két ponthoz. Az erősítő és az oszcilloszkóp érzékenységének kombinációja lehetővé teszi a mérési érzékenység elérését 5μV/div. Az erősítőből származó zaj körülbelül 3μV -kal növeli az oszcilloszkóp hullámforma görbéjének szélességét, de még mindig lehetséges körülbelül 1μV felbontás elérése – ez elegendő ahhoz, hogy a legtöbb földi zajt megkülönböztesse akár 80% -os megbízhatósággal.
K: Mit kell megjegyezni a fenti vizsgálati módszerrel kapcsolatban?
V: Bármely váltakozó mágneses mező feszültséget indukál a szonda vezetékén, amely tesztelhető a szondák egymáshoz történő rövidzárlatával (és a talajellenállás eltérítési útvonalának biztosításával) és az oszcilloszkóp hullámformájának megfigyelésével. A megfigyelt váltakozó áramú hullámforma az indukciónak köszönhető, és minimalizálható a vezeték helyzetének megváltoztatásával vagy a mágneses mező megszüntetésével. Ezenkívül gondoskodni kell arról, hogy az erősítő földelése csatlakozzon a rendszer földeléséhez. Ha az erősítő rendelkezik ezzel a csatlakozással, akkor nincs eltérítési visszatérési út, és az erősítő nem fog működni. A földelésnek biztosítania kell azt is, hogy az alkalmazott földelési módszer ne zavarja a vizsgált áramkör áramelosztását.
K: Hogyan lehet mérni a nagyfrekvenciás földelési zajt?
V: Nehéz mérni a hf földzajt megfelelő szélessávú műszererősítővel, ezért a hf és VHF passzív szondák megfelelőek. Ferrit mágneses gyűrűből áll (külső átmérője 6-8 mm), két tekercsben, egyenként 6-10 fordulattal. Nagyfrekvenciás leválasztó transzformátor kialakításához az egyik tekercset a spektrumanalizátor bemenetéhez, a másikat a szondához kell csatlakoztatni.
A vizsgálati módszer hasonló az alacsony frekvenciájú esethez, de a spektrumanalizátor amplitúdó-frekvencia jelleggörbéket használ a zaj ábrázolására. Az időtartomány tulajdonságaival ellentétben a zajforrások könnyen megkülönböztethetők a frekvencia jellemzőik alapján. Ezenkívül a spektrumanalizátor érzékenysége legalább 60 dB -rel magasabb, mint a szélessávú oszcilloszkópé.
K: Mi a helyzet a vezeték induktivitásával?
V: A vezetők és a PCB vezető sávok induktivitását nem lehet figyelmen kívül hagyni magasabb frekvenciákon. Egy egyenes vezeték és egy vezető sáv induktivitásának kiszámításához itt két közelítést vezetünk be.
Például egy 1 cm hosszú és 0.25 mm széles vezetőképes szalag 10 nH induktivitást képez.
A vezető induktivitása = 0.0002LLN2LR-0.75 μH
Például az 1 cm hosszú, 0.5 mm -es külső átmérőjű vezeték induktivitása 7.26 nm (2R = 0.5 mm, L = 1 cm)
Vezetőképes sáv induktivitás = 0.0002LLN2LW+H+0.2235W+HL+0.5μH
Például az 1 cm széles, 0.25 mm -es nyomtatott áramköri lapvezető induktivitása 9.59 nm (H = 0.038 mm, W = 0.25 mm, L = 1 cm).
Az induktív reaktancia azonban általában sokkal kisebb, mint a vágott induktív áramkör parazita fluxusa és indukált feszültsége. A hurok területét minimalizálni kell, mert az indukált feszültség arányos a hurok területével. Ez könnyen elvégezhető, ha a huzalozás csavart érpárú.
A nyomtatott áramköri lapokon a vezetéknek és a visszatérő útnak közel kell lenniük egymáshoz. A kis kábelezési változtatások gyakran minimálisra csökkentik a hatást, lásd az A forrást az alacsony energiájú B hurokhoz csatlakoztatva.
A hurok területének csökkentése vagy a tengelykapcsoló hurkok közötti távolság növelése minimalizálja a hatást. A hurok területét általában minimálisra csökkentik, és a tengelykapcsoló hurkok közötti távolságot maximalizálják. Néha szükség van mágneses árnyékolásra, de drága és hajlamos a mechanikai meghibásodásra, ezért kerülje el.
11. K: Az Alkalmazásmérnökök Q&A-jában gyakran említik az integrált áramkörök nem ideális viselkedését. Könnyebbnek kell lennie az egyszerű alkatrészek, például ellenállások használatában. Magyarázza el az ideális komponensek közelségét.
V: Csak azt akarom, hogy az ellenállás ideális eszköz legyen, de az ellenállás elején lévő rövid henger pontosan úgy működik, mint egy tiszta ellenállás. A tényleges ellenállás a képzeletbeli ellenállás komponenst is tartalmazza – a reaktancia komponenst. A legtöbb ellenállás kis kapacitással rendelkezik (jellemzően 1-3 pF) az ellenállással párhuzamosan. Bár egyes fóliaellenállások, az ellenálló fóliáikban lévő spirális horonyvágás többnyire induktív, induktív reaktanciájuk tíz vagy száz nahen (nH). Természetesen a dróttekercs -ellenállások általában induktívak, nem pedig kapacitívak (legalábbis alacsony frekvenciákon). Végül is a huzaltekercselt ellenállások tekercsekből készülnek, így nem ritka, hogy a huzaltekercselt ellenállások induktivitása több mikrohm (μH) vagy tízmikrohm, vagy akár úgynevezett „nem induktív” huzaltekercselt ellenállásokkal rendelkezik. (ahol a tekercsek felét az óramutató járásával megegyező, másik felét az óramutató járásával ellentétes irányban tekerik fel). Annak érdekében, hogy a tekercs két fele által előállított induktivitás megszüntesse egymást) 1 μH vagy több maradékinduktivitással is rendelkezik. Nagy értékű, körülbelül 10k above feletti huzaltekercselt ellenállások esetén a fennmaradó ellenállások többnyire kapacitívak, nem pedig induktívak, és a kapacitás akár 10 pF is magasabb, mint a szabványos vékonyréteg vagy szintetikus ellenállásoké. Ezt a reaktanciát alaposan figyelembe kell venni az ellenállásokat tartalmazó nagyfrekvenciás áramkörök tervezésekor.
K: De az általad leírt áramkörök nagy részét pontos mérésekhez használják egyenáramú vagy nagyon alacsony frekvenciákon. A kóbor induktivitások és a kóbor kondenzátorok nem relevánsak ezekben az alkalmazásokban, igaz?
V: igen. Mivel a tranzisztorok (mind diszkrét, mind integrált áramkörökön belül) nagyon széles sávszélességgel rendelkeznek, néha az oszcillációk több száz vagy ezer megahertzes sávban fordulhatnak elő, amikor az áramkör induktív terheléssel zárul. Az oszcillációkhoz kapcsolódó eltolási és egyenirányítási műveletek rossz hatással vannak az alacsony frekvencia pontosságára és stabilitására.
Ami még rosszabb, előfordulhat, hogy az oszcilloszkópon az oszcilloszkóp sem látható, mert az oszcilloszkóp sávszélessége túl alacsony a mért nagyfrekvenciás rezgések sávszélességéhez képest, vagy azért, mert az oszcilloszkóp szonda töltési kapacitása elegendő az oszcillációk leállításához. A legjobb módszer egy széles sávú (alacsony frekvencia – 1–5 GHz feletti) spektrumanalizátor használata a rendszer parazita rezgéseinek ellenőrzésére. Ezt az ellenőrzést akkor kell elvégezni, ha a bemenet a teljes dinamikatartományban változik, mivel a parazita rezgések néha a bemeneti sáv nagyon szűk tartományában fordulnak elő.
K: Van -e kérdés az ellenállásokkal kapcsolatban?
V: Az ellenállás ellenállása nem rögzített, de a hőmérséklettől függően változik. A hőmérsékleti együttható (TC) néhány PPM /° C -tól (milliomod /Celsius -fok) több ezer PPM /° C -ig változik. A legstabilabb ellenállások a huzalos vagy fémfólia ellenállások, a legrosszabbak pedig a szintetikus szénfilm ellenállások.
A nagy hőmérsékleti együtthatók néha hasznosak lehetnek ( +3500ppm/ ° C ellenállás használható a kT/ Q kompenzálására a csomópont dióda karakterisztikus egyenletében, amint azt korábban már említettük a Q&AS for Application Engineers -nél). Általában azonban a hőmérséklet ellenállása hibaforrás lehet a precíziós áramkörökben.
Ha az áramkör pontossága két különböző hőmérsékleti együtthatójú ellenállás egyezésétől függ, akkor függetlenül attól, hogy mennyire illeszkedik az egyik hőmérséklethez, a másik nem fog megegyezni. Még akkor is, ha két ellenállás hőmérsékleti együtthatója megegyezik, nincs garancia arra, hogy ugyanazon a hőmérsékleten maradnak. A belső energiafogyasztás vagy a rendszer hőforrásából származó külső hő által generált önhő hőmérséklet-eltéréseket okozhat, ami ellenállást eredményezhet. Még a kiváló minőségű huzaltekercselt vagy fémréteg-ellenállások hőmérsékleti eltérése is több száz (vagy akár több ezer) PPM / ℃ lehet. A kézenfekvő megoldás az, hogy két ellenállást használnak, amelyek mindkettő nagyon közel vannak ugyanahhoz a mátrixhoz, így a rendszer pontossága mindig jól illeszkedik. Az aljzat lehet szilíciumlapka, amely pontos integrált áramköröket szimulál, üveglap vagy fémfólia. A hordozótól függetlenül a két ellenállás jól illeszkedik a gyártás során, jól illeszkednek a hőmérsékleti együtthatóik, és közel azonos hőmérsékletűek (mert annyira közel vannak).