Printed circuit board masalah dan solusi yang sulit

T: Seperti yang disebutkan sebelumnya tentang resistor sederhana, pasti ada beberapa resistor yang kinerjanya persis seperti yang kita harapkan. Apa yang terjadi pada hambatan suatu bagian kawat?
J: Situasinya berbeda. Agaknya Anda mengacu pada kawat atau pita konduktif di papan sirkuit tercetak yang bertindak sebagai kawat. Karena superkonduktor suhu kamar belum tersedia, setiap panjang kawat logam bertindak sebagai resistor resistansi rendah (yang juga bertindak sebagai kapasitor dan induktor), dan efeknya pada rangkaian harus dipertimbangkan.
2. T: Hambatan kabel tembaga yang sangat pendek dalam rangkaian sinyal kecil tidak boleh penting?
A: mari kita pertimbangkan ADC 16-bit dengan impedansi input 5k . Asumsikan bahwa jalur sinyal ke input ADC terdiri dari papan sirkuit tercetak khas (tebal 0.038 mm, lebar 0.25 mm) dengan pita konduktif sepanjang 10 cm. Ini memiliki resistansi sekitar 0.18 pada suhu kamar, yang sedikit kurang dari 5K ×2×2-16 dan menghasilkan kesalahan penguatan 2LSB pada tingkat penuh.
Diperdebatkan, masalah ini dapat dikurangi jika, seperti yang sudah ada, pita konduktif dari papan sirkuit CETAK dibuat lebih lebar. Di sirkuit analog, umumnya lebih disukai menggunakan pita yang lebih lebar, tetapi banyak perancang PCB (dan perancang PCB) lebih suka menggunakan lebar pita minimum untuk memfasilitasi penempatan jalur sinyal. Sebagai kesimpulan, penting untuk menghitung resistansi pita konduktif dan menganalisis perannya dalam semua kemungkinan masalah.
3. T: Apakah ada masalah dengan kapasitansi pita konduktif dengan lebar yang terlalu besar dan lapisan logam di bagian belakang papan sirkuit CETAK?
A: Itu pertanyaan kecil. Meskipun kapasitansi dari pita konduktif papan sirkuit PRINTED adalah penting (bahkan untuk sirkuit frekuensi rendah, yang dapat menghasilkan osilasi parasit frekuensi tinggi), harus selalu diperkirakan terlebih dahulu. Jika tidak demikian, bahkan pita konduktif lebar yang membentuk kapasitansi besar tidak menjadi masalah. Jika masalah muncul, area kecil dari ground plane dapat dihilangkan untuk mengurangi kapasitansi ke bumi.
T: Tinggalkan pertanyaan ini sebentar! Apa itu grounding plane?
J: Jika foil tembaga di seluruh sisi papan sirkuit CETAK (atau seluruh interlayer papan sirkuit cetak multilayer) digunakan untuk pentanahan, maka inilah yang kami sebut bidang pentanahan. Setiap kabel arde harus diatur dengan resistansi dan induktansi sekecil mungkin. Jika suatu sistem menggunakan bidang pembumian, kemungkinan kecil akan terpengaruh oleh kebisingan pembumian. Selain itu, grounding plane juga memiliki fungsi pelindung dan pendinginan
T: Grounding plane yang disebutkan di sini sulit bagi pabrikan, bukan?
A: Ada beberapa masalah 20 tahun yang lalu. Hari ini, karena peningkatan pengikat, ketahanan solder dan teknologi penyolderan gelombang di papan sirkuit tercetak, pembuatan bidang pentanahan telah menjadi operasi rutin papan sirkuit tercetak.
T: Anda mengatakan bahwa kemungkinan mengekspos sistem ke ground noise dengan menggunakan ground plane sangat kecil. Apa yang tersisa dari masalah kebisingan tanah yang tidak dapat diselesaikan?
J: Rangkaian dasar dari sistem grounded noise memiliki ground plane, tetapi resistansi dan induktansinya tidak nol – jika sumber arus eksternal cukup kuat, itu akan mempengaruhi sinyal yang tepat. Masalah ini dapat diminimalkan dengan mengatur papan sirkuit tercetak dengan benar sehingga arus tinggi tidak mengalir ke area yang mempengaruhi tegangan pentanahan sinyal presisi. Terkadang patahan atau celah pada bidang tanah dapat mengalihkan arus pentanahan yang besar dari area sensitif, tetapi mengubah bidang tanah secara paksa juga dapat mengalihkan sinyal ke area sensitif, jadi teknik seperti itu harus digunakan dengan hati-hati.
T: Bagaimana cara mengetahui penurunan tegangan yang dihasilkan pada bidang yang diarde?
A: biasanya penurunan tegangan dapat diukur, tetapi terkadang perhitungan dapat dibuat berdasarkan resistansi material pada bidang pentanahan (nominal 1 ons tembaga memiliki resistansi 045m /□) dan panjang kabel pita konduktif yang dilalui arus, meskipun perhitungannya bisa rumit. Tegangan dalam rentang dc hingga frekuensi rendah (50kHz) dapat diukur dengan amplifier instrumentasi seperti AMP02 atau AD620.
Penguatan penguat diatur pada 1000 dan dihubungkan ke osiloskop dengan sensitivitas 5mV/div. Penguat dapat disuplai dari sumber daya yang sama dengan rangkaian yang diuji, atau dari sumber dayanya sendiri. Namun, jika ground amplifier dipisahkan dari basis dayanya, osiloskop harus terhubung ke basis daya dari rangkaian daya yang digunakan.
Resistansi antara dua titik pada bidang dasar dapat diukur dengan menambahkan probe ke dua titik. Kombinasi penguatan amplifier dan sensitivitas osiloskop memungkinkan sensitivitas pengukuran mencapai 5μV/div. Kebisingan dari amplifier akan meningkatkan lebar kurva bentuk gelombang osiloskop sekitar 3μV, tetapi masih mungkin untuk mencapai resolusi sekitar 1μV — cukup untuk membedakan sebagian besar kebisingan tanah dengan kepercayaan hingga 80%.
T: Apa yang harus diperhatikan tentang metode pengujian di atas?
J: Setiap medan magnet bolak-balik akan menginduksi tegangan pada kabel probe, yang dapat diuji dengan menghubungkan probe satu sama lain (dan memberikan jalur defleksi ke resistansi ground) dan mengamati bentuk gelombang osiloskop. Bentuk gelombang AC yang diamati disebabkan oleh induksi dan dapat diminimalkan dengan mengubah posisi kabel atau dengan mencoba menghilangkan medan magnet. Selain itu, perlu untuk memastikan bahwa pembumian amplifier terhubung ke pembumian sistem. Jika amplifier memiliki koneksi ini tidak ada jalur balik defleksi dan amplifier tidak akan bekerja. Pembumian juga harus memastikan bahwa metode pembumian yang digunakan tidak mengganggu distribusi arus dari rangkaian yang diuji.
T: Bagaimana mengukur kebisingan pentanahan frekuensi tinggi?
A: Sulit untuk mengukur derau tanah hf dengan penguat instrumentasi pita lebar yang sesuai, jadi probe pasif hf dan VHF sesuai. Ini terdiri dari cincin magnet ferit (diameter luar 6 ~ 8mm) dengan dua gulungan masing-masing 6 ~ 10 putaran. Untuk membentuk transformator isolasi frekuensi tinggi, satu kumparan dihubungkan ke input penganalisis spektrum dan yang lainnya ke probe.
Metode pengujian mirip dengan kasus frekuensi rendah, tetapi penganalisis spektrum menggunakan kurva karakteristik frekuensi amplitudo untuk mewakili kebisingan. Tidak seperti properti domain waktu, sumber kebisingan dapat dengan mudah dibedakan berdasarkan karakteristik frekuensinya. Selain itu, sensitivitas penganalisis spektrum setidaknya 60dB lebih tinggi daripada osiloskop broadband.
T: Bagaimana dengan induktansi kawat?
A: Induktansi konduktor dan pita konduktif PCB tidak dapat diabaikan pada frekuensi yang lebih tinggi. Untuk menghitung induktansi kawat lurus dan pita konduktif, dua pendekatan diperkenalkan di sini.
Misalnya, pita konduktif dengan panjang 1 cm dan lebar 0.25 mm akan membentuk induktansi 10nH.
Induktansi konduktor = 0.0002LLN2LR-0.75 H
Misalnya, induktansi dari kawat berdiameter luar 1 mm dengan panjang 0.5 cm adalah 7.26nh (2R=0.5mm,L=1cm)
Induktansi pita konduktif = 0.0002LLN2LW +H+0.2235W+HL+0.5μH
Misalnya, induktansi pita konduktif papan sirkuit tercetak lebar 1cm 0.25mm adalah 9.59nh (H=0.038mm,W=0.25mm,L=1cm).
Namun, reaktansi induktif biasanya jauh lebih kecil daripada fluks parasit dan tegangan induksi dari rangkaian induktif yang dipotong. Area loop harus diminimalkan karena tegangan induksi sebanding dengan area loop. Ini mudah dilakukan ketika kabel twisted-pair.
Di papan sirkuit tercetak, jalur timbal dan kembali harus berdekatan. Perubahan kabel kecil sering meminimalkan dampak, lihat sumber A digabungkan ke loop energi rendah B.
Mengurangi area loop atau meningkatkan jarak antara loop kopling akan meminimalkan efeknya. Area loop biasanya dikurangi seminimal mungkin dan jarak antara loop kopling dimaksimalkan. Pelindung magnetik terkadang diperlukan, tetapi mahal dan rentan terhadap kegagalan mekanis, jadi hindarilah.
11. T: Dalam Tanya Jawab untuk Insinyur Aplikasi, perilaku sirkuit terpadu yang tidak ideal sering disebutkan. Seharusnya lebih mudah menggunakan komponen sederhana seperti resistor. Jelaskan kedekatan komponen ideal.
A: Saya hanya ingin resistor menjadi perangkat yang ideal, tetapi silinder pendek di ujung resistor bertindak persis seperti resistor murni. Resistor sebenarnya juga mengandung komponen resistansi imajiner — komponen reaktansi. Kebanyakan resistor memiliki kapasitansi kecil (biasanya 1 hingga 3pF) secara paralel dengan resistansinya. Meskipun beberapa resistor film, pemotongan alur heliks dalam film resistifnya sebagian besar bersifat induktif, reaktansi induktifnya adalah puluhan atau ratusan nahen (nH). Tentu saja, resistansi lilitan kawat umumnya bersifat induktif daripada kapasitif (setidaknya pada frekuensi rendah). Lagi pula, resistor lilitan kawat terbuat dari kumparan, jadi tidak jarang resistor lilitan kawat memiliki induktansi beberapa mikrohm (μH) atau puluhan mikrohm, atau bahkan disebut resistor lilitan kawat “non-induktif”. (di mana setengah dari kumparan dililit searah jarum jam dan setengah lainnya berlawanan arah jarum jam). Sehingga induktansi yang dihasilkan oleh dua bagian kumparan saling meniadakan) juga memiliki induktansi sisa 1μH atau lebih. Untuk resistor wire-wound bernilai tinggi di atas sekitar 10k , resistor yang tersisa sebagian besar kapasitif daripada induktif, dan kapasitansi hingga 10pF, lebih tinggi dari film tipis standar atau resistor sintetis. Reaktansi ini harus dipertimbangkan dengan hati-hati ketika merancang rangkaian frekuensi tinggi yang mengandung resistor.
T: Tetapi banyak dari rangkaian yang Anda gambarkan digunakan untuk pengukuran presisi pada DC atau frekuensi sangat rendah. Induktor nyasar dan kapasitor nyasar tidak relevan dalam aplikasi ini, kan?
J: ya. Karena transistor (baik diskrit maupun dalam sirkuit terpadu) memiliki lebar pita yang sangat lebar, osilasi kadang-kadang dapat terjadi dalam ratusan atau ribuan pita megahertz ketika rangkaian berakhir dengan beban induktif. Tindakan offset dan rektifikasi yang terkait dengan osilasi memiliki efek buruk pada akurasi dan stabilitas frekuensi rendah.
Lebih buruk lagi, osilasi mungkin tidak terlihat pada osiloskop baik karena bandwidth osiloskop terlalu rendah dibandingkan dengan bandwidth osilasi frekuensi tinggi yang diukur, atau karena kapasitas muatan probe osiloskop cukup untuk menghentikan osilasi. Metode terbaik adalah dengan menggunakan penganalisis spektrum pita lebar (frekuensi rendah hingga 15GHz di atas) untuk memeriksa sistem untuk osilasi parasit. Pemeriksaan ini harus dilakukan ketika input bervariasi di seluruh rentang dinamis, karena osilasi parasit terkadang terjadi dalam rentang yang sangat sempit dari pita input.
T: Apakah ada pertanyaan tentang resistor?
A: Resistansi resistor tidak tetap, tetapi bervariasi dengan suhu. Koefisien suhu (TC) bervariasi dari beberapa PPM /°C (sepersejuta per derajat Celcius) hingga beberapa ribu PPM /°C. Resistor yang paling stabil adalah resistor wirewound atau resistor film logam, dan yang terburuk adalah resistor film karbon sintetis.
Koefisien suhu yang besar terkadang dapat berguna (resistor +3500ppm/°C dapat digunakan untuk mengkompensasi kT/Q dalam persamaan karakteristik dioda sambungan, seperti yang disebutkan sebelumnya dalam T&J untuk Insinyur Aplikasi). Tetapi secara umum resistansi dengan suhu dapat menjadi sumber kesalahan dalam rangkaian presisi.
Jika presisi rangkaian tergantung pada kecocokan dua resistor dengan koefisien suhu yang berbeda, maka tidak peduli seberapa cocok pada satu suhu, itu tidak akan cocok di yang lain. Bahkan jika koefisien suhu dari dua resistor cocok, tidak ada jaminan bahwa mereka akan tetap pada suhu yang sama. Panas sendiri yang dihasilkan oleh konsumsi daya internal atau panas eksternal yang ditransmisikan dari sumber panas dalam sistem dapat menyebabkan ketidaksesuaian suhu, yang mengakibatkan resistensi. Bahkan resistor kawat atau film logam berkualitas tinggi dapat memiliki ketidaksesuaian suhu ratusan (atau bahkan ribuan) PPM / . Solusi yang jelas adalah dengan menggunakan dua resistor yang dibuat sedemikian rupa sehingga keduanya sangat dekat dengan matriks yang sama, sehingga akurasi sistem selalu cocok setiap saat. Substrat dapat berupa wafer silikon yang mensimulasikan sirkuit terpadu yang presisi, wafer kaca, atau film logam. Terlepas dari substratnya, kedua resistor cocok dengan baik selama pembuatan, memiliki koefisien suhu yang cocok, dan berada pada suhu yang hampir sama (karena mereka sangat dekat).