인쇄 회로 기판 어려운 문제와 해결책

Q: 앞서 간단한 저항에 대해 언급했듯이 성능이 정확히 우리가 기대하는 것과 같은 저항이 있어야 합니다. 전선 단면의 저항은 어떻게 됩니까?
A. 상황이 다릅니다. 아마도 와이어 역할을 하는 인쇄 회로 기판의 와이어 또는 전도성 밴드를 말하는 것 같습니다. 실온 초전도체는 아직 사용할 수 없기 때문에 금속 와이어의 길이에 관계없이 저저항 저항(커패시터 및 인덕터 역할도 함)의 역할을 하며 회로에 미치는 영향을 고려해야 합니다.
2. Q: 소신호 회로에서 매우 짧은 구리선의 저항은 중요하지 않아야 합니까?
A: 입력 임피던스가 16k ω인 5비트 ADC를 생각해 봅시다. ADC 입력에 대한 신호 라인은 길이가 0.038cm인 전도성 밴드가 있는 일반적인 인쇄 회로 기판(두께 0.25mm, 너비 10mm)으로 구성되어 있다고 가정합니다. 그것은 실온에서 약 0.18 ω의 저항을 가지며 5K ω ×2×2-16보다 약간 작으며 전체도에서 2LSB의 이득 오차를 생성합니다.
틀림없이, 이 문제는 이미 있는 것처럼 PRINTED 회로 기판의 전도성 밴드를 더 넓게 만들면 완화될 수 있습니다. 아날로그 회로에서는 일반적으로 더 넓은 대역을 사용하는 것이 바람직하지만 많은 PCB 설계자(및 PCB 설계자)는 신호 라인 배치를 용이하게 하기 위해 최소 대역 폭을 사용하는 것을 선호합니다. 결론적으로 전도성 밴드의 저항을 계산하고 가능한 모든 문제에서 그 역할을 분석하는 것이 중요합니다.
3. Q: PRINTED 회로 기판 뒷면의 금속층과 폭이 너무 큰 전도성 밴드의 커패시턴스에 문제가 있습니까?
A: 작은 질문입니다. PRINTED 회로 기판의 전도성 밴드의 커패시턴스가 중요하지만(고주파 기생 진동을 생성할 수 있는 저주파 회로의 경우에도) 항상 먼저 추정해야 합니다. 그렇지 않다면 큰 정전용량을 형성하는 넓은 전도대역도 문제가 되지 않는다. 문제가 발생하면 접지면의 작은 영역을 제거하여 접지에 대한 커패시턴스를 줄일 수 있습니다.
Q: 잠시 이 질문을 남겨주세요! 접지면이란 무엇입니까?
A: PRINTED 회로 기판의 전체 면(또는 다층 인쇄 회로 기판의 전체 중간층)의 구리 호일이 접지에 사용되는 경우 이를 접지면이라고 합니다. 접지선은 가능한 한 가장 작은 저항과 인덕턴스를 갖도록 배열해야 합니다. 시스템이 접지면을 사용하는 경우 접지 노이즈의 영향을 덜 받습니다. 또한 접지면에는 차폐 및 냉각 기능도 있습니다.
Q: 여기서 말하는 접지면은 제조사 입장에서는 어렵죠?
A: 20년 전에 몇 가지 문제가 있었습니다. 오늘날 인쇄 회로 기판의 바인더, 솔더 저항 및 웨이브 솔더링 기술의 향상으로 인해 접지면의 제조는 인쇄 회로 기판의 일상적인 작업이 되었습니다.
Q: 접지면을 사용하여 시스템을 접지 노이즈에 노출시킬 가능성이 매우 낮다고 말씀하셨습니다. 풀리지 않는 그라운드 노이즈 문제는?
A: 접지된 노이즈 시스템의 기본 회로에는 접지면이 있지만 저항과 인덕턴스는 XNUMX이 아닙니다. 외부 전류 소스가 충분히 강하면 정확한 신호에 영향을 미칩니다. 정밀 신호의 접지 전압에 영향을 미치는 부분에 고전류가 흐르지 않도록 인쇄회로기판을 적절히 배치하면 이러한 문제를 최소화할 수 있다. 때로는 접지면의 파손이나 슬릿이 민감한 영역에서 큰 접지 전류를 전환할 수 있지만 접지면을 강제로 변경하면 신호가 민감한 영역으로 전환될 수도 있으므로 이러한 기술은 주의해서 사용해야 합니다.
Q: 접지면에서 생성된 전압 강하를 어떻게 알 수 있습니까?
A: 일반적으로 전압 강하를 측정할 수 있지만 때로는 접지면에 있는 재료의 저항(공칭 1온스의 구리는 045m ω /□의 저항을 가짐)과 접지면의 길이를 기반으로 계산할 수 있습니다. 계산이 복잡할 수 있지만 전류가 통과하는 전도성 밴드. DC ~ 저주파(50kHz) 범위의 전압은 AMP02 또는 AD620과 같은 계측 증폭기로 측정할 수 있습니다.
증폭기 이득은 1000으로 설정되었고 감도가 5mV/div인 오실로스코프에 연결되었습니다. 증폭기는 테스트 중인 회로와 동일한 전원 또는 자체 전원에서 공급될 수 있습니다. 그러나 증폭기 접지가 전원 베이스에서 분리된 경우 오실로스코프는 사용되는 전원 회로의 전원 베이스에 연결해야 합니다.
접지면의 두 지점 사이의 저항은 두 지점에 프로브를 추가하여 측정할 수 있습니다. 증폭기 이득과 오실로스코프 감도의 조합으로 측정 감도가 5μV/div에 도달할 수 있습니다. 증폭기의 잡음은 오실로스코프 파형 곡선의 폭을 약 3μV만큼 증가시키지만 최대 1%의 신뢰도로 대부분의 접지 잡음을 구별하기에 충분한 약 80μV의 분해능을 달성하는 것이 여전히 가능합니다.
Q: 위의 테스트 방법에서 주의해야 할 사항은 무엇입니까?
A: 교류 자기장은 프로브 리드에 전압을 유도하며, 프로브를 서로 단락시키고(접지 저항에 대한 편향 경로 제공) 오실로스코프 파형을 관찰하여 테스트할 수 있습니다. 관찰된 AC 파형은 유도로 인한 것이며 리드의 위치를 ​​변경하거나 자기장을 제거하여 최소화할 수 있습니다. 또한 증폭기의 접지가 시스템의 접지에 연결되어 있는지 확인해야 합니다. 증폭기에 이 연결이 있는 경우 편향 리턴 경로가 없고 증폭기가 작동하지 않습니다. 또한 접지는 사용된 접지 방법이 테스트 중인 회로의 전류 분포를 방해하지 않도록 해야 합니다.
Q: 고주파 접지 노이즈를 측정하는 방법은 무엇입니까?
A: 적절한 광대역 계측 증폭기로 hf 접지 노이즈를 측정하는 것은 어렵기 때문에 hf 및 VHF 패시브 프로브가 적합합니다. 페라이트 마그네틱 링(외경 6~8mm)과 각각 6~10회 감긴 코일 XNUMX개로 구성되어 있습니다. 고주파 절연 변압기를 형성하기 위해 하나의 코일은 스펙트럼 분석기 입력에 연결되고 다른 하나는 프로브에 연결됩니다.
테스트 방법은 저주파 경우와 유사하지만 스펙트럼 분석기는 진폭-주파수 특성 곡선을 사용하여 노이즈를 나타냅니다. 시간 도메인 속성과 달리 노이즈 소스는 주파수 특성에 따라 쉽게 구분할 수 있습니다. 또한 스펙트럼 분석기의 감도는 광대역 오실로스코프보다 60dB 이상 높습니다.
Q: 전선의 인덕턴스는 어떻게 됩니까?
A: 도체 및 PCB 전도성 밴드의 인덕턴스는 더 높은 주파수에서 무시할 수 없습니다. 직선 와이어와 전도성 밴드의 인덕턴스를 계산하기 위해 여기에 두 가지 근사값이 도입됩니다.
예를 들어, 길이가 1cm이고 너비가 0.25mm인 전도성 밴드는 10nH의 인덕턴스를 형성합니다.
도체 인덕턴스 = 0.0002LLN2LR-0.75μH
예를 들어, 1cm 길이의 0.5mm 외경 와이어의 인덕턴스는 7.26nh(2R=0.5mm, L=1cm)입니다.
전도성 밴드 인덕턴스 = 0.0002LLN2LW +H+0.2235W+HL+0.5μH
예를 들어, 1cm 너비의 0.25mm 인쇄 회로 기판 전도성 밴드의 인덕턴스는 9.59nh(H=0.038mm, W=0.25mm, L=1cm)입니다.
그러나 유도 리액턴스는 일반적으로 절단 유도 회로의 기생 자속 및 유도 전압보다 훨씬 작습니다. 유도 전압은 루프 면적에 비례하므로 루프 면적을 최소화해야 합니다. 이것은 배선이 트위스트 페어일 때 하기 쉽습니다.
인쇄 회로 기판에서 리드 및 리턴 경로는 서로 가까워야 합니다. 작은 배선 변경은 영향을 최소화하는 경우가 많습니다(저에너지 루프 B에 연결된 소스 A 참조).
루프 면적을 줄이거나 커플링 루프 사이의 거리를 늘리면 효과가 최소화됩니다. 루프 영역은 일반적으로 최소로 줄어들고 커플링 루프 사이의 거리는 최대화됩니다. 자기 차폐가 필요한 경우도 있지만 비용이 많이 들고 기계적 고장이 발생하기 쉬우므로 피하십시오.
11. Q: 응용 엔지니어를 위한 Q&A에서 집적 회로의 비이상적인 동작이 자주 언급됩니다. 저항과 같은 간단한 구성 요소를 사용하는 것이 더 쉬워야 합니다. 이상적인 구성 요소의 근접성을 설명하십시오.
A: 나는 저항이 이상적인 장치가 되기를 원하지만 저항의 리드에 있는 짧은 실린더는 순수한 저항과 똑같이 작동합니다. 실제 저항에는 가상의 저항 성분인 리액턴스 성분도 포함되어 있습니다. 대부분의 저항기는 저항과 병렬로 작은 커패시턴스(일반적으로 1~3pF)를 갖습니다. 일부 필름 저항기, 저항 필름의 나선형 홈 절단은 대부분 유도성이지만 유도성 리액턴스는 수십 또는 수백 nH(nH)입니다. 물론 권선 저항은 일반적으로 용량성보다 유도성입니다(적어도 낮은 주파수에서는). 결국 권선 저항은 코일로 만들어지기 때문에 권선 저항이 수 마이크로옴(μH) 또는 수십 마이크로옴의 인덕턴스를 갖거나 소위 “비유도성” 권선 저항을 갖는 것은 드문 일이 아닙니다. (코일의 절반은 시계 방향으로, 나머지 절반은 시계 반대 방향으로 감긴 경우). 코일의 두 반쪽에서 생성된 인덕턴스가 서로 상쇄되도록) 또한 1μH 이상의 잔류 인덕턴스를 갖습니다. 약 10k ω 이상의 고가 권선 저항기의 경우 나머지 저항기는 대부분 유도성보다는 용량성이며 정전 용량은 최대 10pF로 표준 박막 또는 합성 저항기보다 높습니다. 저항을 포함하는 고주파 회로를 설계할 때 이 리액턴스를 주의 깊게 고려해야 합니다.
Q: 그러나 귀하가 설명하는 많은 회로는 DC 또는 매우 낮은 주파수에서 정밀한 측정에 사용됩니다. 표유 인덕터와 표유 커패시터는 이러한 애플리케이션과 관련이 없습니다. 맞습니까?
A: 네. 트랜지스터(이산 및 집적 회로 내 모두)는 매우 넓은 대역폭을 갖기 때문에 회로가 ​​유도성 부하로 끝날 때 수백 또는 수천 메가헤르츠 대역에서 발진이 발생할 수 있습니다. 진동과 관련된 오프셋 및 정류 동작은 저주파 정확도와 안정성에 나쁜 영향을 미칩니다.
설상가상으로 오실로스코프의 대역폭이 측정되는 고주파수 발진의 대역폭에 비해 너무 낮거나 오실로스코프 프로브의 충전 용량이 발진을 중지하기에 충분하기 때문에 오실로스코프에서 발진이 보이지 않을 수 있습니다. 가장 좋은 방법은 광대역(15GHz 이상의 저주파) 스펙트럼 분석기를 사용하여 시스템의 기생 진동을 확인하는 것입니다. 입력 대역의 매우 좁은 범위에서 기생 진동이 때때로 발생하기 때문에 입력이 전체 동적 범위에 걸쳐 변할 때 이 확인을 수행해야 합니다.
Q: 저항에 대해 질문이 있습니까?
A: 저항의 저항은 고정되어 있지 않고 온도에 따라 변합니다. 온도 계수(TC)는 몇 PPM/°C(섭씨 XNUMX도당 백만 분의 XNUMX)에서 수천 PPM/°C까지 다양합니다. 가장 안정적인 저항은 권선 또는 금속막 저항이고 최악은 합성 탄소막 저항입니다.
큰 온도 계수가 때때로 유용할 수 있습니다(이전에 애플리케이션 엔지니어를 위한 Q&AS에서 언급한 바와 같이 접합 다이오드 특성 방정식에서 kT/Q를 보상하기 위해 +3500ppm/°C 저항을 사용할 수 있음). 그러나 일반적으로 온도에 대한 저항은 정밀 회로에서 오류의 원인이 될 수 있습니다.
회로의 정밀도가 온도 계수가 다른 두 저항의 일치에 따라 달라지면 한 온도에서 아무리 잘 일치하더라도 다른 온도에서는 일치하지 않습니다. 두 저항의 온도 계수가 일치하더라도 동일한 온도를 유지한다는 보장은 없습니다. 내부 전력 소모에 의해 발생하는 자체 발열이나 시스템의 열원에서 전달되는 외부 열로 인해 온도 불일치가 발생하여 저항이 발생할 수 있습니다. 고품질 권선 또는 금속 필름 저항기조차도 수백(또는 수천) PPM/℃의 온도 불일치를 가질 수 있습니다. 확실한 해결책은 시스템의 정확도가 항상 잘 일치하도록 두 저항이 모두 동일한 매트릭스에 매우 가깝도록 구축된 두 개의 저항을 사용하는 것입니다. 기판은 정밀 집적 회로, 유리 웨이퍼 또는 금속 필름을 시뮬레이션하는 실리콘 웨이퍼일 수 있습니다. 기판에 관계없이 두 개의 저항기는 제조 중에 잘 일치하고 온도 계수가 잘 일치하며 거의 동일한 온도에 있습니다(매우 가깝기 때문에).