プリント回路基板の難しい問題と解決策

Q：単純な抵抗器について前述したように、期待どおりの性能を持つ抵抗器がいくつかあるはずです。ワイヤーのセクションの抵抗はどうなりますか？
A：状況は異なります。おそらく、ワイヤとして機能するプリント回路基板のワイヤまたは導電性バンドを指しているのでしょう。室温超伝導体はまだ入手できないため、どのような長さの金属線も低抵抗抵抗器として機能し（コンデンサーとインダクターとしても機能します）、回路への影響を考慮する必要があります。
2. Q：小信号回路の非常に短い銅線の抵抗は重要ではありませんか？
A：入力インピーダンスが16kωの5ビットADCについて考えてみましょう。 ADC入力への信号線は、長さ0.038cmの導電性バンドを備えた一般的なプリント回路基板（厚さ0.25mm、幅10mm）で構成されていると仮定します。室温で約0.18ωの抵抗があり、5Kω×2×2-16弱で、フル度で2LSBのゲイン誤差が発生します。
おそらく、この問題は、すでにそうであるように、プリント回路基板の導電性帯域を広くすることで軽減される可能性があります。アナログ回路では、一般に広い帯域を使用することが望ましいですが、多くのPCB設計者（およびPCB設計者）は、信号線の配置を容易にするために最小帯域幅を使用することを好みます。結論として、導電性バンドの抵抗を計算し、考えられるすべての問題におけるその役割を分析することが重要です。
3. Q：幅が広すぎる導電性バンドの静電容量とプリント基板の裏側の金属層に問題はありますか？
A：それは小さな質問です。プリント回路基板の導電性帯域からの静電容量は重要ですが（高周波の寄生発振を引き起こす可能性のある低周波回路の場合でも）、常に最初に推定する必要があります。そうでない場合は、大きな静電容量を形成する広い導電性バンドでも問題ありません。問題が発生した場合は、グランドプレーンの小さな領域を除去して、アースへの静電容量を減らすことができます。
Q：この質問を少し残してください！グランドプレーンとは何ですか？
A：プリント回路基板の全面（または多層プリント回路基板の中間層全体）の銅箔を接地に使用する場合、これを接地面と呼びます。アース線は、可能な限り最小の抵抗とインダクタンスで配置する必要があります。システムが接地面を使用している場合、接地ノイズの影響を受ける可能性は低くなります。さらに、接地面にはシールドと冷却の機能もあります
Q：ここで言及されている接地面は、メーカーにとって難しいですよね？
A：20年前にいくつかの問題がありました。今日、プリント回路基板のバインダー、はんだ耐性、ウェーブはんだ付け技術の向上により、接地面の製造はプリント回路基板の日常業務になっています。
Q：グランドプレーンを使用してシステムをグランドノイズにさらす可能性は非常に小さいとおっしゃいました。解決できないグラウンドノイズの問題の残りは何ですか？
A：接地ノイズシステムの基本回路にはグランドプレーンがありますが、その抵抗とインダクタンスはゼロではありません。外部電流源が十分に強い場合、正確な信号に影響を与えます。この問題は、高精度信号の接地電圧に影響を与える領域に大電流が流れないようにプリント回路基板を適切に配置することで最小限に抑えることができます。グランドプレーンの切れ目やスリットが敏感な領域から大きな接地電流をそらすことがありますが、グランドプレーンを強制的に変更すると信号が敏感な領域にそらされることもあるため、このような手法は注意して使用する必要があります。
Q：接地面で発生する電圧降下をどのように知ることができますか？
A：通常、電圧降下を測定できますが、接地面の材料の抵抗（公称1オンスの銅の抵抗は045mω/□）と長さに基づいて計算できる場合もあります。計算は複雑になる可能性がありますが、電流が通過する導電性バンド。 DCから低周波数（50kHz）の範囲の電圧は、AMP02やAD620などの計装アンプで測定できます。
増幅器のゲインは1000に設定され、5mV / divの感度でオシロスコープに接続されました。増幅器は、被試験回路と同じ電源から、またはそれ自体の電源から供給することができます。ただし、アンプのグランドが電源ベースから分離されている場合は、オシロスコープを使用する電源回路の電源ベースに接続する必要があります。
グランドプレーン上の任意の5点間の抵抗は、3点にプローブを追加することで測定できます。アンプのゲインとオシロスコープの感度の組み合わせにより、測定感度を1μV/ divに到達させることができます。アンプからのノイズにより、オシロスコープの波形曲線の幅が約80μV増加しますが、それでも約XNUMXμVの分解能を達成することは可能です。これは、最大XNUMX％の信頼度でほとんどのグラウンドノイズを区別するのに十分です。
Q：上記の試験方法について注意すべき点は何ですか？
A：交流磁場はプローブのリード線に電圧を誘導します。これは、プローブを相互に短絡し（そして接地抵抗への偏向経路を提供し）、オシロスコープの波形を観察することでテストできます。観測されたAC波形は誘導によるものであり、リードの位置を変更するか、磁場を除去しようとすることで最小限に抑えることができます。さらに、アンプの接地がシステムの接地に接続されていることを確認する必要があります。アンプにこの接続がある場合、偏向リターンパスがなく、アンプは機能しません。接地は、使用する接地方法がテスト中の回路の電流分布に干渉しないことも保証する必要があります。
Q：高周波接地ノイズの測定方法は？
A：適切な広帯域計装アンプでhf接地ノイズを測定することは難しいため、hfおよびVHFパッシブプローブが適切です。フェライト磁気リング（外径6〜8mm）と6〜10ターンのXNUMXつのコイルで構成されています。高周波絶縁トランスを形成するには、一方のコイルをスペクトラムアナライザの入力に接続し、もう一方のコイルをプローブに接続します。
テスト方法は低周波数の場合と似ていますが、スペクトラムアナライザは振幅-周波数特性曲線を使用してノイズを表します。時間領域のプロパティとは異なり、ノイズ源は周波数特性に基づいて簡単に区別できます。さらに、スペクトラムアナライザの感度は、広帯域オシロスコープの感度よりも少なくとも60dB高くなっています。
Q：ワイヤーのインダクタンスはどうですか？
A：導体とPCB導電性バンドのインダクタンスは、より高い周波数では無視できません。ストレートワイヤと導電性バンドのインダクタンスを計算するために、ここではXNUMXつの近似を紹介します。
たとえば、長さ1cm、幅0.25mmの導電性バンドは10nHのインダクタンスを形成します。
導体インダクタンス=0.0002LLN2LR-0.75μH
たとえば、長さ1cm、外径0.5mmのワイヤのインダクタンスは7.26nh（2R = 0.5mm、L = 1cm）です。
導電性バンドインダクタンス= 0.0002LLN2LW + H + 0.2235W + HL +0.5μH
たとえば、幅1cmの0.25mmプリント回路基板の導電性バンドのインダクタンスは9.59nh（H = 0.038mm、W = 0.25mm、L = 1cm）です。
ただし、誘導性リアクタンスは通常、カットされた誘導回路の寄生磁束および誘導電圧よりもはるかに小さくなります。誘導電圧はループ面積に比例するため、ループ面積を最小限に抑える必要があります。これは、配線がツイストペアの場合に簡単に実行できます。
プリント回路基板では、リードパスとリターンパスを互いに近づける必要があります。小さな配線の変更は、多くの場合、影響を最小限に抑えます。低エネルギーループBに結合されたソースAを参照してください。
ループ面積を減らすか、カップリングループ間の距離を大きくすると、影響が最小限に抑えられます。通常、ループ領域は最小に縮小され、結合ループ間の距離は最大になります。磁気シールドが必要な場合もありますが、高価で機械的な故障が発生しやすいため、避けてください。
11. Q：アプリケーションエンジニア向けのQ＆Aでは、集積回路の非理想的な動作についてよく言及されています。抵抗器などの単純なコンポーネントを使用する方が簡単なはずです。理想的なコンポーネントの近接性を説明します。
A：抵抗器を理想的なデバイスにしたいのですが、抵抗器の先頭にある短いシリンダーは、純粋な抵抗器とまったく同じように機能します。実際の抵抗には、虚数の抵抗成分であるリアクタンス成分も含まれています。ほとんどの抵抗器は、抵抗器と並列に小さな静電容量（通常は1〜3pF）を持っています。一部の膜抵抗器では、抵抗膜のらせん状の溝の切断はほとんど誘導性ですが、誘導性リアクタンスは数十または数百ナヘン（nH）です。もちろん、巻線抵抗は一般に容量性ではなく誘導性です（少なくとも低周波数では）。結局のところ、巻線抵抗器はコイルでできているため、巻線抵抗器のインダクタンスが数マイクロオーム（μH）または数十マイクロオーム、あるいはいわゆる「非誘導」巻線抵抗器である場合も珍しくありません。（コイルの半分は時計回りに巻かれ、残りの半分は反時計回りに巻かれています）。そのため、コイルの1つの半分によって生成されるインダクタンスは互いに打ち消し合います）も10μH以上の残留インダクタンスを持ちます。約10kωを超える高価値の巻線抵抗器の場合、残りの抵抗器は誘導性ではなくほとんど容量性であり、静電容量は最大XNUMXpFで、標準の薄膜または合成抵抗器よりも高くなります。抵抗を含む高周波回路を設計するときは、このリアクタンスを慎重に検討する必要があります。
Q：しかし、あなたが説明する回路の多くは、DCまたは非常に低い周波数での正確な測定に使用されます。浮遊インダクタと浮遊コンデンサは、これらのアプリケーションには関係ありませんよね？
A：はい。トランジスタ（ディスクリート回路と集積回路内の両方）の帯域幅は非常に広いため、回路が誘導性負荷で終了すると、数百または数千メガヘルツの帯域で発振が発生することがあります。発振に関連するオフセットおよび整流動作は、低周波数の精度と安定性に悪影響を及ぼします。
さらに悪いことに、測定されている高周波発振の帯域幅と比較してオシロスコープの帯域幅が低すぎるため、またはオシロスコープのプローブの充電容量が発振を停止するのに十分であるため、オシロスコープで発振が見えない場合があります。最良の方法は、広帯域（上記の15GHzまでの低周波数）スペクトラムアナライザを使用して、システムの寄生発振をチェックすることです。入力帯域の非常に狭い範囲で寄生発振が発生することがあるため、このチェックは、入力がダイナミックレンジ全体にわたって変化する場合に実行する必要があります。
Q：抵抗器について質問はありますか？
A：抵抗器の抵抗は固定されていませんが、温度によって変化します。温度係数（TC）は、数PPM /°C（摂氏XNUMX度あたりの百万分のXNUMX）から数千PPM /°Cまで変化します。最も安定した抵抗器は巻線抵抗器または金属皮膜抵抗器であり、最悪の抵抗器は合成炭素皮膜抵抗器です。
大きな温度係数が役立つ場合があります（アプリケーションエンジニア向けのQ＆ASで前述したように、+ 3500ppm /°Cの抵抗を使用して、接合ダイオードの特性式のkT / Qを補正できます）。しかし、一般に、温度による抵抗は、精密回路のエラーの原因となる可能性があります。
回路の精度が温度係数の異なるXNUMXつの抵抗器の一致に依存している場合、一方の温度でどれほどよく一致しても、もう一方の温度では一致しません。 XNUMXつの抵抗器の温度係数が一致していても、同じ温度を維持できる保証はありません。システム内の熱源から伝達される内部電力消費または外部熱によって生成される自己熱は、温度の不一致を引き起こし、抵抗をもたらす可能性があります。高品質の巻線抵抗器や金属皮膜抵抗器でさえ、数百（または数千）PPM /℃の温度不一致が発生する可能性があります。明らかな解決策は、XNUMXつの抵抗器を使用して、両方が同じマトリックスに非常に近くなるようにすることです。これにより、システムの精度が常に十分に一致します。基板は、正確な集積回路をシミュレートするシリコンウェーハ、ガラスウェーハ、または金属膜にすることができます。基板に関係なく、XNUMXつの抵抗器は製造時によく一致し、温度係数もよく一致し、ほぼ同じ温度になります（非常に近いため）。