המעגל המודפס בעיות ופתרונות קשים

ש: כפי שצוין קודם לכן לגבי נגדים פשוטים, חייבים להיות כמה נגדים שהביצועים שלהם הם בדיוק מה שאנחנו מצפים. מה קורה להתנגדות של קטע חוט?
ת: המצב שונה. יש להניח שאתה מתכוון לחוט או להקה מוליכה בלוח מעגלים מודפסים הפועלים כחוט. מאחר ומוליכי-על בטמפרטורת החדר עדיין אינם זמינים, כל אורך של חוט מתכת פועל כנגד התנגדות נמוכה (המשמש גם כקבל ומשרן), ויש להתייחס להשפעתו על המעגל.
2. ש: ההתנגדות של חוט נחושת קצר מאוד במעגל אות קטן לא חייבת להיות חשובה?
ת: בואו נשקול ADC של 16 סיביות עם עכבת קלט של 5k ω. נניח כי קו האות לכניסת ADC מורכב מלוח מעגלים מודפס טיפוסי (עובי 0.038 מ”מ, רוחב 0.25 מ”מ) עם פס מוליך באורך 10 ס”מ. יש לו עמידות של כ 0.18 ω בטמפרטורת החדר, שזה קצת פחות מ 5K ω × 2 × 2-16 ומייצר שגיאת רווח של 2LSB במעלה מלאה.
ניתן לטעון כי בעיה זו עשויה להיות מתונה אם, כפי שהיא כבר, הלהקה המוליכה של לוח המעגלים PRINTED הופכת רחבה יותר. במעגלים אנלוגיים, בדרך כלל עדיף להשתמש בפס רחב יותר, אך מעצבי PCB רבים (ומעצבי PCB) מעדיפים להשתמש ברוחב פס מינימלי כדי להקל על מיקום קו האות. לסיכום, חשוב לחשב את ההתנגדות של הלהקה המוליכה ולנתח את תפקידה בכל הבעיות האפשריות.
3. ש: האם יש בעיה בקיבול של הלהקה המוליכה ברוחב גדול מדי ושכבת המתכת בגב לוח המעגלים PRINTED?
ת: זו שאלה קטנה. למרות שקיבול מהלהקה המוליכה של לוח המעגלים PRINTED הוא חשוב (אפילו עבור מעגלים בתדר נמוך, שיכולים לייצר תנודות טפיליות בתדירות גבוהה), יש תמיד לאמוד זאת תחילה. אם זה לא המצב, אפילו פס מוליך רחב היוצר קיבול גדול אינו מהווה בעיה. אם מתעוררות בעיות, ניתן להסיר שטח קטן של מטוס הקרקע כדי להפחית את הקיבול לכדור הארץ.
ש: השאר את השאלה הזו לרגע! מהו מטוס ההארקה?
ת: אם רדיד נחושת בצד כולו של לוח מעגלים מודפס (או כל שכבת הביניים של מעגל מודפס רב שכבתי) משמש להארקה, אז זה מה שאנו מכנים מטוס הארקה. כל חוט קרקע יהיה מסודר עם ההתנגדות וההשראות הקטנים ביותר האפשריים. אם מערכת משתמשת במטוס הארקה, סביר להניח שהיא תיפגע מרעש הארקה. בנוסף, למטוס הארקה יש גם פונקציה של מיגון וקירור
ש: מטוס הארקה שהוזכר כאן קשה ליצרנים, נכון?
ת: היו כמה בעיות לפני 20 שנה. כיום, בשל השיפור של קלסר, התנגדות הלחמה וטכנולוגיית הלחמת גל במעגלים מודפסים, ייצור מטוס הארקה הפך לפעולה שגרתית של מעגלים מודפסים.
ש: אמרת שהאפשרות לחשוף מערכת לרעשי קרקע באמצעות מטוס קרקע היא קטנה מאוד. מה נשאר מבעיית רעשי הקרקע שאי אפשר לפתור?
ת: למעגל הבסיסי של מערכת רעש מקורקעת יש מישור קרקע, אך ההתנגדות והשראות שלו אינם אפס – אם מקור הזרם החיצוני חזק מספיק, הוא ישפיע על אותות מדויקים. ניתן למזער את הבעיה באמצעות סידור נכון של לוחות המודפס כך שלא יזרם זרם גבוה לאזורים המשפיעים על מתח ההארקה של אותות דיוק. לפעמים שבירה או שסע במישור הקרקע יכולים להסיט זרם הארקה גדול מהאזור הרגיש, אך שינוי בכוח של מטוס הקרקע יכול גם להסיט את האות לאזור הרגיש, ולכן יש להשתמש בטכניקה כזו בזהירות.
ש: כיצד אוכל לדעת את ירידת המתח הנוצרת על מטוס מקורקע?
ת: בדרך כלל ניתן למדוד את ירידת המתח, אך לפעמים ניתן לבצע חישובים על סמך ההתנגדות של החומר במישור הארקה (1 גרם לנחושת נומינלית יש התנגדות של 045m ω /□) ואורך פס מוליך שדרכו הזרם עובר, אם כי חישובים יכולים להיות מסובכים. ניתן למדוד מתח בין dc עד תדר נמוך (50kHz) בעזרת מגברי מכשור כגון AMP02 או AD620.
רווח המגבר נקבע על 1000 ומחובר לאוסילוסקופ ברגישות של 5mV/div. המגבר יכול להיות מסופק מאותו מקור מתח כמו המעגל הנבדק, או ממקור כוח משלו. עם זאת, אם קרקע המגבר מופרדת מבסיס הכוח שלה, יש לחבר את האוסילוסקופ לבסיס הכוח של מעגל ההספק המשמש.
ניתן למדוד את ההתנגדות בין שתי הנקודות במישור הקרקע על ידי הוספת בדיקה לשתי הנקודות. השילוב של רווח מגבר ורגישות לאוסילוסקופ מאפשר לרגישות המדידה להגיע ל 5μV/div. רעש מהמגבר יגדיל את רוחב עקומת צורת הגל של האוסילוסקופ בכ -3μV, אך עדיין ניתן להשיג רזולוציה של כ -1μV – מספיק להבחין ברוב רעשי הקרקע עם עד 80% ביטחון.
ש: מה יש לשים לב לגבי שיטת הבדיקה לעיל?
ת: כל שדה מגנטי לסירוגין יגרום למתח על מוביל הבדיקה, אותו ניתן לבדוק על ידי קצר קצר של הגששים זה לזה (ומתן נתיב סטייה להתנגדות הקרקע) והתבוננות בצורת הגל של האוסילוסקופ. צורת גל AC שנצפתה נובעת מאינדוקציה וניתן למזער אותה על ידי שינוי מיקום ההובלה או על ידי ניסיון לחסל את השדה המגנטי. בנוסף, יש לוודא כי הארקה של המגבר מחוברת להארקה של המערכת. אם למגבר יש חיבור זה אין נתיב החזרה של סטייה והמגבר לא יפעל. הארקה צריכה גם להבטיח ששיטת הארקה בה נעשה שימוש אינה מפריעה להתפלגות הזרם של המעגל הנבדק.
ש: כיצד למדוד את רעש הארקה בתדר גבוה?
ת: קשה למדוד רעשי קרקע hf עם מגבר אבזור רחב מתאים, ולכן בדיקות פסיביות hf ו- VHF מתאימות. הוא מורכב מטבעת מגנטית פריט (קוטר חיצוני של 6 ~ 8 מ”מ) עם שני סלילים של 6 ~ 10 סיבובים כל אחד. כדי ליצור שנאי בידוד בתדירות גבוהה, סליל אחד מחובר לקלט מנתח הספקטרום והשני אל החללית.
שיטת הבדיקה דומה למקרה בתדירות נמוכה, אך מנתח הספקטרום משתמש בעקומות אופייניות בתדר משרעת כדי לייצג רעש. בניגוד למאפייני תחום זמן, ניתן להבחין בקלות במקורות רעש על סמך מאפייני התדר שלהם. בנוסף, הרגישות של מנתח הספקטרום גבוהה לפחות ב- 60dB מזו של אוסצילוסקופ הפס הרחב.
ש: מה לגבי השראות של חוט?
ת: אי אפשר להתעלם מהשראות של מוליכים ולהקות מוליכות PCB בתדרים גבוהים יותר. על מנת לחשב את השראותם של חוט ישר ולהקה מוליכה, מוצגים כאן שתי קירובים.
לדוגמה, פס מוליך באורך 1 ס”מ ורוחבו 0.25 מ”מ יהווה השראה של 10nH.
השראות מוליכים = 0.0002LLN2LR-0.75 μH
לדוגמה, השראות של חוט באורך 1 מ”מ בקוטר החיצוני הוא 0.5nh (7.26R = 2mm, L = 0.5cm)
השראות הלהקה המוליכות = 0.0002LLN2LW+H+0.2235W+HL+0.5μH
לדוגמה, השראות ההרכב המוליך של הלוח המעגלי המודפס ברוחב 1 סנטימטר הוא 0.25nh (H = 9.59mm, W = 0.038mm, L = 0.25cm).
עם זאת, התגובה האינדוקטיבית בדרך כלל קטנה בהרבה מהשטף הטפילי והמתח המושרה של המעגל האינדוקטיבי החתוך. יש למזער את שטח הלולאה מכיוון שהמתח המושרה פרופורציונלי לאזור הלולאה. קל לעשות זאת כאשר החיווט הוא זוג מעוות.
במעגלים מודפסים, נתיבי העופרת והחזרה צריכים להיות צמודים זה לזה. שינויים קטנים בחיווט בדרך כלל ממזערים את ההשפעה, ראו מקור A המשולב ללולאה אנרגיה נמוכה B.
הקטנת שטח הלולאה או הגדלת המרחק בין לולאות הצימוד ימזערו את האפקט. אזור הלולאה מצטמצם בדרך כלל למינימום והמרחק בין לולאות הצימוד מקסום. לפעמים נדרשת מיגון מגנטי, אך היא יקרה ומועדת לכשל מכני, אז הימנע מכך.
11. ש: בשאלות ותשובות למהנדסי יישומים, התנהגות לא אידיאלית של מעגלים משולבים מוזכרת לעתים קרובות. צריך להיות קל יותר להשתמש ברכיבים פשוטים כגון נגדים. הסבר את קרבתם של רכיבים אידיאליים.
ת: אני רק רוצה שהנגד יהיה מכשיר אידיאלי, אבל הצילינדר הקצר בראש הנגד פועל בדיוק כמו נגד טהור. הנגד בפועל מכיל גם את רכיב ההתנגדות הדמיונית – רכיב הריאקציות. לרוב הנגדים יש קיבול קטן (בדרך כלל 1 עד 3pF) במקביל להתנגדות שלהם. למרות שכמה נגדי סרטים, חיתוך החריץ הסלילי בסרטי ההתנגדות שלהם הוא לרוב אינדוקטיבי, תגובתם האינדוקטיבית היא עשרות או מאות נהנים (nH). כמובן, ההתנגדות לפצע חוט היא בדרך כלל אינדוקטיבית ולא קיבולית (לפחות בתדרים נמוכים). אחרי הכל, נגדי פצע תיל עשויים סלילים, ולכן אין זה נדיר שלנגדי פצע תיל יש השראות של כמה מיקרוהם (μH) או עשרות מיקרוהם, או אפילו מה שמכונה נגדים “לא אינדוקטיביים” של חוטים. (כאשר מחצית מהסלילים נפצעים בכיוון השעון והחצי השני נגד כיוון השעון). כך שהשראות המיוצרת משני חצאי הסליל מבטלת זה את זה) יש גם 1μH או יותר של השראות שיורית. עבור נגדים בעלי חוט בעל ערך גבוה מעל 10k approximately, הנגדים הנותרים הם בעיקר קיבוליים ולא אינדוקטיביים, והקיבול הוא עד 10pF, גבוה מזה של סרט דק רגיל או נגדים סינתטיים. יש לשקול היטב תגובה זו בעת תכנון מעגלים בתדר גבוה המכילים נגדים.
ש: אך רבים מהמעגלים שאתה מתאר משמשים למדידות מדויקות בתדר DC או בתדרים נמוכים מאוד. משרנים תועים וקבלים תועים אינם רלוונטיים ביישומים אלה, נכון?
ת: כן. מכיוון שלטרנזיסטורים (בדידיים ובתוך מעגלים משולבים) יש רוחבי פס רחבים מאוד, לפעמים יכולים להתרחש תנודות במאות או אלפי להקות מגה -הרץ כאשר המעגל מסתיים בעומס אינדוקטיבי. לפעולות הקיזוז והתיקון הקשורות לתנודות יש השפעות רעות על דיוק ויציבות בתדר נמוך.
גרוע מכך, ייתכן שהתנודות אינן נראות באוסילוסקופ גם משום שרוחב הפס של האוסילוסקופ נמוך מדי בהשוואה לרוחב הפס של התנודות בתדירות הגבוהה הנמדדת, או מכיוון שכושר הטעינה של בדיקת האוסילוסקופ מספיק כדי לעצור את התנודות. השיטה הטובה ביותר היא להשתמש בפס רחב (תדר נמוך עד 15GHz למעלה) מנתח ספקטרום כדי לבדוק את המערכת לאיתור תנודות טפיליות. בדיקה זו צריכה להיעשות כאשר הקלט משתנה על פני כל הטווח הדינמי, מכיוון שלפעמים מתרחשות תנודות טפיליות בטווח צר מאוד של פס הכניסה.
ש: האם יש שאלות לגבי נגדים?
ת: ההתנגדות של הנגד אינה קבועה, אך משתנה עם הטמפרטורה. מקדם הטמפרטורה (TC) משתנה מכמה PPM /° C בודדים (מיליונים לכל מעלה צלזיוס) לכמה אלפי PPM /° C. הנגדים היציבים ביותר הם נגדי פצע תיל או סרט מתכת, והגרועים ביותר הם נגדים לסרט פחמן סינתטי.
מקדמי טמפרטורה גדולים יכולים לפעמים להיות שימושיים (ניתן להשתמש בנגד +3500ppm/ ° C כדי לפצות על kT/ Q במשוואת המאפיינים של דיודת הצומת, כפי שהוזכר בעבר ב- Q&AS עבור מהנדסי יישומים). אבל באופן כללי התנגדות עם טמפרטורה יכולה להיות מקור לטעויות במעגלים מדויקים.
אם דיוק המעגל תלוי בהתאמה של שני נגדים עם מקדמי טמפרטורה שונים, לא משנה כמה תואם בטמפרטורה אחת, הוא לא יתאים לשני. גם אם מקדמי הטמפרטורה של שני נגדים תואמים, אין ערובה שהם יישארו באותה הטמפרטורה. חום עצמי שנוצר על ידי צריכת חשמל פנימית או חום חיצוני המועבר ממקור חום במערכת יכול לגרום לאי התאמות בטמפרטורה, וכתוצאה מכך להתנגדות. אפילו נגדי פצע תיל או סרט מתכת באיכות גבוהה יכולים להיות בעלי חוסר התאמה בטמפרטורה של מאות (או אפילו אלפי) PPM / ℃. הפתרון המתבקש הוא להשתמש בשני נגדים שנבנו כך ששניהם קרובים מאוד לאותה מטריצה, כך שדיוק המערכת יתאים היטב בכל עת. המצע יכול להיות ופלי סיליקון המדמים מעגלים משולבים מדויקים, פרוסות זכוכית או סרטי מתכת. ללא קשר למצע, שני הנגדים תואמים היטב במהלך הייצור, יש להם מקדמי טמפרטורה תואמים היטב, והם נמצאים כמעט באותה טמפרטורה (מכיוון שהם כל כך קרובים).