Circuito stampato problemi e soluzioni difficili

D: Come accennato in precedenza sui resistori semplici, devono esserci alcuni resistori le cui prestazioni sono esattamente quelle che ci aspettiamo. Cosa succede alla resistenza di una sezione di filo?
R: La situazione è diversa. Presumibilmente ti riferisci a un filo o a una banda conduttiva in un circuito stampato che funge da filo. Poiché i superconduttori a temperatura ambiente non sono ancora disponibili, qualsiasi lunghezza di filo metallico funge da resistore a bassa resistenza (che funge anche da condensatore e induttore) e deve essere considerato il suo effetto sul circuito.
2. D: La resistenza di un filo di rame molto corto in un piccolo circuito di segnale non deve essere importante?
R: consideriamo un ADC a 16 bit con un’impedenza di ingresso di 5k ω. Supponiamo che la linea del segnale all’ingresso dell’ADC sia costituita da un tipico circuito stampato (spessore 0.038 mm, largo 0.25 mm) con una banda conduttiva di 10 cm di lunghezza. Ha una resistenza di circa 0.18 ω a temperatura ambiente, che è poco meno di 5K ω ×2×2-16 e produce un errore di guadagno di 2LSB a pieno grado.
Probabilmente, questo problema può essere mitigato se, come già avviene, la banda conduttiva del circuito STAMPATO viene allargata. Nei circuiti analogici, è generalmente preferibile utilizzare una banda più ampia, ma molti progettisti di PCB (e progettisti di PCB) preferiscono utilizzare una larghezza di banda minima per facilitare il posizionamento della linea di segnale. In conclusione, è importante calcolare la resistenza della banda conduttiva e analizzare il suo ruolo in tutti i possibili problemi.
3. D: C’è un problema con la capacità della banda conduttiva con larghezza eccessiva e lo strato metallico sul retro del circuito STAMPATO?
R: È una piccola domanda. Sebbene la capacità dalla banda conduttiva del circuito STAMPATO sia importante (anche per i circuiti a bassa frequenza, che possono produrre oscillazioni parassite ad alta frequenza), dovrebbe sempre essere stimata per prima. In caso contrario, anche un’ampia banda conduttiva che forma una grande capacità non è un problema. In caso di problemi, è possibile rimuovere una piccola area del piano di massa per ridurre la capacità a terra.
Q: Lascia questa domanda per un momento! Qual è il piano di messa a terra?
R: Se per la messa a terra viene utilizzata una lamina di rame sull’intero lato di un circuito stampato (o sull’intero strato intermedio di un circuito stampato multistrato), questo è ciò che chiamiamo piano di messa a terra. Qualsiasi filo di terra deve essere disposto con la minore resistenza e induttanza possibile. Se un sistema utilizza un piano di messa a terra, è meno probabile che venga influenzato dal rumore di messa a terra. Inoltre, il piano di messa a terra ha anche la funzione di schermatura e raffreddamento
D: Il piano di messa a terra menzionato qui è difficile per i produttori, giusto?
A: Ci sono stati alcuni problemi 20 anni fa. Oggi, grazie al miglioramento del legante, della resistenza di saldatura e della tecnologia di saldatura ad onda nei circuiti stampati, la produzione del piano di messa a terra è diventata un’operazione di routine dei circuiti stampati.
D: Hai detto che la possibilità di esporre un sistema al rumore di fondo utilizzando un piano di massa è molto ridotta. Cosa rimane del problema del rumore di fondo che non può essere risolto?
A: Il circuito di base di un sistema di rumore con messa a terra ha un piano di massa, ma la sua resistenza e induttanza non sono zero: se la sorgente di corrente esterna è abbastanza forte, influenzerà i segnali precisi. Questo problema può essere minimizzato disponendo opportunamente i circuiti stampati in modo che l’alta corrente non fluisca nelle aree che influenzano la tensione di messa a terra dei segnali di precisione. A volte un’interruzione o una fessura nel piano di massa può deviare una grande corrente di messa a terra dall’area sensibile, ma la modifica forzata del piano di massa può anche deviare il segnale nell’area sensibile, quindi tale tecnica deve essere utilizzata con cura.
D: Come faccio a conoscere la caduta di tensione generata su un piano con messa a terra?
R: di solito si può misurare la caduta di tensione, ma a volte si possono fare calcoli in base alla resistenza del materiale nel piano di messa a terra (un’oncia nominale di rame ha una resistenza di 10m ω /□) e la lunghezza del banda conduttiva attraverso la quale passa la corrente, anche se i calcoli possono essere complicati. Le tensioni nella gamma da cc a bassa frequenza (45kHz) possono essere misurate con amplificatori per strumentazione come AMP50 o AD02.
Il guadagno dell’amplificatore è stato impostato a 1000 e collegato ad un oscilloscopio con una sensibilità di 5mV/div. L’amplificatore può essere alimentato dalla stessa fonte di alimentazione del circuito in prova o dalla propria fonte di alimentazione. Tuttavia, se la massa dell’amplificatore è separata dalla sua base di alimentazione, l’oscilloscopio deve essere collegato alla base di alimentazione del circuito di alimentazione utilizzato.
La resistenza tra due punti qualsiasi sul piano di massa può essere misurata aggiungendo una sonda ai due punti. La combinazione del guadagno dell’amplificatore e della sensibilità dell’oscilloscopio consente alla sensibilità di misurazione di raggiungere 5 μV/div. Il rumore dell’amplificatore aumenterà l’ampiezza della curva della forma d’onda dell’oscilloscopio di circa 3 μV, ma è ancora possibile ottenere una risoluzione di circa 1 μV, sufficiente per distinguere la maggior parte del rumore di fondo con una confidenza fino all’80%.
D: Cosa si dovrebbe notare riguardo al metodo di prova sopra?
R: Qualsiasi campo magnetico alternato indurrà una tensione sul cavo della sonda, che può essere testata cortocircuitando le sonde tra loro (e fornendo un percorso di deflessione alla resistenza di terra) e osservando la forma d’onda dell’oscilloscopio. La forma d’onda CA osservata è dovuta all’induzione e può essere ridotta al minimo modificando la posizione del cavo o cercando di eliminare il campo magnetico. Inoltre, è necessario assicurarsi che la messa a terra dell’amplificatore sia collegata alla messa a terra del sistema. Se l’amplificatore ha questa connessione non c’è un percorso di ritorno della deflessione e l’amplificatore non funzionerà. La messa a terra dovrebbe anche garantire che il metodo di messa a terra utilizzato non interferisca con la distribuzione di corrente del circuito in prova.
D: Come misurare il rumore di messa a terra ad alta frequenza?
R: È difficile misurare il rumore di fondo hf con un amplificatore per strumentazione a banda larga adatto, quindi le sonde passive hf e VHF sono appropriate. È costituito da un anello magnetico in ferrite (diametro esterno di 6 ~ 8 mm) con due bobine di 6 ~ 10 spire ciascuna. Per formare un trasformatore di isolamento ad alta frequenza, una bobina è collegata all’ingresso dell’analizzatore di spettro e l’altra alla sonda.
Il metodo di prova è simile al caso a bassa frequenza, ma l’analizzatore di spettro utilizza curve caratteristiche di ampiezza-frequenza per rappresentare il rumore. A differenza delle proprietà del dominio del tempo, le sorgenti di rumore possono essere facilmente distinte in base alle loro caratteristiche di frequenza. Inoltre, la sensibilità dell’analizzatore di spettro è di almeno 60 dB superiore a quella dell’oscilloscopio a banda larga.
D: E l’induttanza di un filo?
A: L’induttanza dei conduttori e delle bande conduttive del PCB non può essere ignorata alle frequenze più alte. Per calcolare l’induttanza di un filo rettilineo e di una banda conduttiva, vengono introdotte qui due approssimazioni.
Ad esempio, una banda conduttiva lunga 1 cm e larga 0.25 mm formerà un’induttanza di 10 nH.
Induttanza del conduttore = 0.0002LLN2LR-0.75 μH
Ad esempio, l’induttanza di un filo di 1 mm di diametro esterno lungo 0.5 cm è 7.26 nh (2R = 0.5 mm, L = 1 cm)
Induttanza di banda conduttiva = 0.0002LLN2LW +H+0.2235W+HL+0.5μH
Ad esempio, l’induttanza della banda conduttiva del circuito stampato da 1 mm di larghezza 0.25 cm è 9.59 nh (A = 0.038 mm, L = 0.25 mm, L = 1 cm).
Tuttavia, la reattanza induttiva è solitamente molto più piccola del flusso parassita e della tensione indotta del circuito induttivo tagliato. L’area del circuito deve essere ridotta al minimo poiché la tensione indotta è proporzionale all’area del circuito. Questo è facile da fare quando il cablaggio è a doppino intrecciato.
Nei circuiti stampati, i percorsi di andata e ritorno dovrebbero essere vicini tra loro. Piccole modifiche al cablaggio spesso riducono al minimo l’impatto, vedere la sorgente A accoppiata al circuito a bassa energia B.
Riducendo l’area del loop o aumentando la distanza tra i loop di accoppiamento si ridurrà al minimo l’effetto. L’area del loop è solitamente ridotta al minimo e la distanza tra i loop di accoppiamento è massimizzata. A volte è necessaria una schermatura magnetica, ma è costosa e soggetta a guasti meccanici, quindi evitatela.
11. D: Nelle domande e risposte per gli ingegneri applicativi, viene spesso menzionato il comportamento non ideale dei circuiti integrati. Dovrebbe essere più facile utilizzare componenti semplici come i resistori. Spiegare la vicinanza dei componenti ideali.
A: Voglio solo che un resistore sia un dispositivo ideale, ma il cilindro corto all’inizio di un resistore agisce esattamente come un resistore puro. Il resistore effettivo contiene anche il componente di resistenza immaginario, il componente di reattanza. La maggior parte dei resistori ha una capacità ridotta (tipicamente da 1 a 3 pF) in parallelo con la loro resistenza. Sebbene alcuni resistori a film, il taglio della scanalatura elicoidale nei loro film resistivi sia per lo più induttivo, la loro reattanza induttiva è di decine o centinaia di nahen (nH). Naturalmente, le resistenze a filo avvolto sono generalmente induttive piuttosto che capacitive (almeno alle basse frequenze). Dopotutto, i resistori a filo sono fatti di bobine, quindi non è raro che i resistori a filo abbiano induttanze di diversi microhm (μH) o decine di microhm, o anche i cosiddetti resistori a filo avvolto “non induttivi” (dove metà delle bobine sono avvolte in senso orario e l’altra metà in senso antiorario). In modo che l’induttanza prodotta dalle due metà della bobina si annulli a vicenda) ha anche 1μH o più di induttanza residua. Per resistori a filo avvolto di alto valore superiori a circa 10k , i resistori rimanenti sono per lo più capacitivi anziché induttivi e la capacità è fino a 10 pF, superiore a quella dei resistori a film sottile standard o sintetici. Questa reattanza deve essere attentamente considerata quando si progettano circuiti ad alta frequenza contenenti resistori.
D: Ma molti dei circuiti che descrivi sono usati per misurazioni precise a CC oa frequenze molto basse. Gli induttori e i condensatori vaganti sono irrilevanti in queste applicazioni, giusto?
R: si. Poiché i transistor (sia discreti che all’interno di circuiti integrati) hanno larghezze di banda molto ampie, a volte possono verificarsi oscillazioni nelle bande di centinaia o migliaia di megahertz quando il circuito termina con un carico induttivo. Le azioni di offset e rettifica associate alle oscillazioni hanno effetti negativi sulla precisione e sulla stabilità alle basse frequenze.
Peggio ancora, le oscillazioni potrebbero non essere visibili su un oscilloscopio o perché la larghezza di banda dell’oscilloscopio è troppo bassa rispetto alla larghezza di banda delle oscillazioni ad alta frequenza misurate, o perché la capacità di carica della sonda dell’oscilloscopio è sufficiente per fermare le oscillazioni. Il metodo migliore consiste nell’utilizzare un analizzatore di spettro a banda larga (dalla bassa frequenza fino a 15GHz sopra) per controllare il sistema per le oscillazioni parassite. Questo controllo dovrebbe essere fatto quando l’ingresso varia sull’intero intervallo dinamico, poiché oscillazioni parassite a volte si verificano in un intervallo molto ristretto della banda di ingresso.
D: Ci sono domande sui resistori?
A: La resistenza di un resistore non è fissa, ma varia con la temperatura. Il coefficiente di temperatura (TC) varia da poche PPM/°C (milionesimi per grado Celsius) a diverse migliaia di PPM/°C. I resistori più stabili sono i resistori a filo avvolto oa film metallico e i peggiori sono i resistori a film di carbonio sintetico.
A volte possono essere utili coefficienti di temperatura elevati (è possibile utilizzare un resistore da +3500 ppm/°C per compensare kT/Q nell’equazione delle caratteristiche del diodo a giunzione, come precedentemente menzionato in Domande e risposte per gli ingegneri delle applicazioni). Ma in generale la resistenza con la temperatura può essere una fonte di errore nei circuiti di precisione.
Se la precisione del circuito dipende dall’abbinamento di due resistori con coefficienti di temperatura diversi, non importa quanto siano ben abbinati a una temperatura, non corrisponderà all’altra. Anche se i coefficienti di temperatura di due resistori corrispondono, non vi è alcuna garanzia che rimarranno alla stessa temperatura. L’auto-calore generato dal consumo energetico interno o dal calore esterno trasmesso da una fonte di calore nel sistema può causare discrepanze di temperatura, con conseguente resistenza. Anche i resistori a filo avvolto oa film metallico di alta qualità possono avere discrepanze di temperatura di centinaia (o anche migliaia) PPM / ℃. La soluzione ovvia è usare due resistori costruiti in modo che siano entrambi molto vicini alla stessa matrice, in modo che l’accuratezza del sistema sia sempre ben abbinata. Il substrato può essere costituito da wafer di silicio che simulano circuiti integrati precisi, wafer di vetro o pellicole metalliche. Indipendentemente dal substrato, i due resistori si abbinano bene durante la produzione, hanno coefficienti di temperatura ben abbinati e sono quasi alla stessa temperatura (perché sono così vicini).