Iespiedshēmas plate sarežģītas problēmas un risinājumi

J: Kā minēts iepriekš par vienkāršiem rezistoriem, ir jābūt dažiem rezistoriem, kuru veiktspēja ir tieši tāda, kādu mēs gaidām. Kas notiek ar stieples daļas pretestību?
A: Situācija ir atšķirīga. Jādomā, ka jūs domājat vadu vai vadošu joslu iespiedshēmas plates, kas darbojas kā vads. Tā kā istabas temperatūras supravadītāji vēl nav pieejami, jebkura garuma metāla stieple darbojas kā zemas pretestības rezistors (kas darbojas arī kā kondensators un induktors), un jāņem vērā tā ietekme uz ķēdi.
2. J: Ļoti īsa vara stieples pretestība nelielā signāla ķēdē nedrīkst būt svarīga?
A: ņemsim vērā 16 bitu ADC ar ieejas pretestību 5k ω. Pieņemsim, ka signāla līnija uz ADC ieeju sastāv no tipiskas iespiedshēmas plates (0.038 mm bieza, 0.25 mm plata) ar vadošu joslu 10 cm garumā. Tā pretestība ir aptuveni 0.18 ω istabas temperatūrā, kas ir nedaudz mazāka par 5K × 2 × 2-16 un rada pastiprinājuma kļūdu 2LSB pilnā pakāpē.
Iespējams, ka šo problēmu var mazināt, ja izdrukātās shēmas plates vadošā josla, kā jau ir, tiek paplašināta. Analogajās shēmās parasti ir vēlams izmantot plašāku joslu, taču daudzi PCB dizaineri (un PCB dizaineri) izvēlas izmantot minimālo joslas platumu, lai atvieglotu signāla līnijas izvietošanu. Noslēgumā ir svarīgi aprēķināt vadošās joslas pretestību un analizēt tās lomu visās iespējamās problēmās.
3. J: Vai ir problēma ar pārāk lielas platuma vadošās joslas kapacitāti un metāla slāni PRINTED shēmas plates aizmugurē?
A: Tas ir mazs jautājums. Lai gan PRINTED shēmas plates vadošās joslas kapacitāte ir svarīga (pat zemfrekvences ķēdēm, kas var radīt augstfrekvences parazitāras svārstības), tā vienmēr jānovērtē vispirms. Ja tas tā nav, pat plaša vadoša josla, kas veido lielu kapacitāti, nav problēma. Ja rodas problēmas, nelielu iezemētās plaknes laukumu var noņemt, lai samazinātu zemes kapacitāti.
J: Uz brīdi atstājiet šo jautājumu! Kas ir zemējuma plakne?
A: Ja zemei ​​tiek izmantota vara folija visā PRINTĒTĀ shēmas plates pusē (vai viss daudzslāņu iespiedshēmas plates starpslānis), tad to mēs saucam par zemējuma plakni. Jebkurš zemējuma vads ir sakārtots ar pēc iespējas mazāku pretestību un induktivitāti. Ja sistēma izmanto zemējuma plakni, zemējuma troksnis to mazāk ietekmē. Turklāt zemējuma plaknei ir arī ekranēšanas un dzesēšanas funkcija
J: Šeit minētā zemējuma plakne ražotājiem ir grūta, vai ne?
A: Pirms 20 gadiem bija dažas problēmas. Mūsdienās, uzlabojoties saistvielai, lodēšanas pretestībai un viļņu lodēšanas tehnoloģijai iespiedshēmas plates, zemējuma plaknes ražošana ir kļuvusi par ikdienas iespiedshēmu plates darbību.
J: Jūs teicāt, ka iespēja pakļaut sistēmu zemes troksnim, izmantojot iezemēto plakni, ir ļoti maza. Kas paliek pie zemes trokšņa problēmas, ko nevar atrisināt?
A: Zemes trokšņa sistēmas pamata shēmai ir iezemēta plakne, taču tās pretestība un induktivitāte nav nulle – ja ārējais strāvas avots ir pietiekami spēcīgs, tas ietekmēs precīzus signālus. Šo problēmu var samazināt, pareizi sakārtojot iespiedshēmas plates tā, lai liela strāva neplūst vietās, kas ietekmē precizitātes signālu zemējuma spriegumu. Dažreiz ieplīsums vai sprauga iezemētajā plaknē var novirzīt lielu zemējuma strāvu no jutīgās zonas, bet piespiedu kārtā mainot iezemēto plakni, signāls var tikt novirzīts arī jutīgajā zonā, tāpēc šāda tehnika jāizmanto uzmanīgi.
J: Kā es varu zināt sprieguma kritumu, kas radīts iezemētā plaknē?
A: parasti var izmērīt sprieguma kritumu, bet dažreiz var veikt aprēķinus, pamatojoties uz materiāla pretestību zemējuma plaknē (nominālajai 1 uncei vara ir pretestība 045 m ω /□) un garumam. vadoša josla, caur kuru plūst strāva, lai gan aprēķini var būt sarežģīti. Spriegumus no līdzstrāvas līdz zemas frekvences (50 kHz) diapazonā var izmērīt ar instrumentālajiem pastiprinātājiem, piemēram, AMP02 vai AD620.
Pastiprinātāja pastiprinājums tika iestatīts uz 1000 un savienots ar osciloskopu ar jutību 5 mV/div. Pastiprinātājs var tikt piegādāts no tā paša barošanas avota kā pārbaudāmā ķēde vai no paša barošanas avota. Tomēr, ja pastiprinātāja zemējums ir atdalīts no barošanas bāzes, osciloskops ir jāpievieno izmantotās strāvas ķēdes barošanas bāzei.
Pretestību starp jebkuriem diviem iezemētās plaknes punktiem var izmērīt, abiem punktiem pievienojot zondi. Pastiprinātāja pastiprinājuma un osciloskopa jutības kombinācija ļauj mērījumu jutībai sasniegt 5μV/div. Pastiprinātāja radītais troksnis palielinās osciloskopa viļņu formas līknes platumu par aptuveni 3μV, taču joprojām ir iespējams sasniegt aptuveni 1μV izšķirtspēju – pietiekami, lai atšķirtu lielāko daļu zemes trokšņa ar pat 80% ticamību.
J: Kas jāņem vērā saistībā ar iepriekš minēto pārbaudes metodi?
A: Jebkurš mainīgs magnētiskais lauks izraisīs spriegumu uz zondes vada, ko var pārbaudīt, īssavienojot zondes (un nodrošinot novirzes ceļu uz zemes pretestību) un novērojot osciloskopa viļņu formu. Novērotā maiņstrāvas viļņu forma ir saistīta ar indukciju, un to var samazināt, mainot vadu stāvokli vai mēģinot novērst magnētisko lauku. Turklāt ir jānodrošina, lai pastiprinātāja zemējums būtu pievienots sistēmas zemējumam. Ja pastiprinātājam ir šis savienojums, nav novirzes atgriešanās ceļa un pastiprinātājs nedarbosies. Zemēšanai arī jānodrošina, lai izmantotā zemējuma metode netraucētu pārbaudāmās ķēdes strāvas sadalījumu.
J: Kā izmērīt augstfrekvences zemējuma troksni?
A: Ir grūti izmērīt hf zemes troksni ar piemērotu platjoslas instrumentu pastiprinātāju, tāpēc ir piemērotas hf un VHF pasīvās zondes. Tas sastāv no ferīta magnētiskā gredzena (ārējais diametrs 6 ~ 8 mm) ar divām spolēm pa 6 ~ 10 apgriezieniem katrā. Lai izveidotu augstfrekvences izolācijas transformatoru, viena spole ir pievienota spektra analizatora ieejai, bet otra-zondei.
Pārbaudes metode ir līdzīga zemfrekvences gadījumam, taču spektra analizators izmanto amplitūdas-frekvences raksturlīknes, lai attēlotu troksni. Atšķirībā no laika domēna īpašībām trokšņa avotus var viegli atšķirt, pamatojoties uz to frekvences īpašībām. Turklāt spektra analizatora jutība ir vismaz par 60 dB augstāka nekā platjoslas osciloskopa.
J: Kā ir ar stieples induktivitāti?
A: Vadītāju un PCB vadošo joslu induktivitāti nevar ignorēt augstākās frekvencēs. Lai aprēķinātu taisnas stieples un vadošas joslas induktivitāti, šeit tiek ieviesti divi tuvinājumi.
Piemēram, 1 cm gara un 0.25 mm plata vadoša josla veidos 10nH induktivitāti.
Diriģenta induktivitāte = 0.0002LLN2LR-0.75 μH
Piemēram, 1 cm gara 0.5 mm ārējā diametra stieples induktivitāte ir 7.26 nm (2R = 0.5 mm, L = 1 cm)
Vadošās joslas induktivitāte = 0.0002LLN2LW+H+0.2235W+HL+0.5μH
Piemēram, 1 cm platas 0.25 mm iespiedshēmas plates vadošās lentes induktivitāte ir 9.59 nh (H = 0.038 mm, W = 0.25 mm, L = 1 cm).
Tomēr induktīvā reaktivitāte parasti ir daudz mazāka nekā parazītiskā plūsma un sagrieztās induktīvās ķēdes izraisītais spriegums. Cilpas laukums ir jāsamazina līdz minimumam, jo ​​inducētais spriegums ir proporcionāls cilpas laukumam. To ir viegli izdarīt, ja elektroinstalācija ir savīti pāri.
Drukātās shēmas plates vadiem un atgriešanās ceļiem jābūt cieši kopā. Nelielas elektroinstalācijas izmaiņas bieži samazina triecienu, skatiet A avotu, kas savienots ar zemas enerģijas cilpu B.
Samazinot cilpas laukumu vai palielinot attālumu starp sakabes cilpām, efekts tiks samazināts līdz minimumam. Cilpas laukums parasti tiek samazināts līdz minimumam, un attālums starp sakabes cilpām ir maksimāls. Dažreiz ir nepieciešama magnētiskā ekranēšana, taču tā ir dārga un pakļauta mehāniskiem bojājumiem, tāpēc izvairieties no tā.
11. J: Lietojumu inženieru jautājumos un atbildēs bieži tiek minēta integrālo shēmu neideālā uzvedība. Būtu vieglāk izmantot vienkāršas sastāvdaļas, piemēram, rezistorus. Izskaidrojiet ideālo komponentu tuvumu.
A: Es tikai vēlos, lai rezistors būtu ideāla ierīce, bet īss cilindrs rezistora priekšgalā darbojas tieši tāpat kā tīrs rezistors. Faktiskais rezistors satur arī iedomātu pretestības komponentu – reaktivitātes komponentu. Lielākajai daļai rezistoru ir maza kapacitāte (parasti 1 līdz 3 pF) paralēli to pretestībai. Lai gan daži plēves rezistori, spirālveida rievu griešana to pretestības plēvēs galvenokārt ir induktīva, to induktīvā pretestība ir desmitiem vai simtiem nahen (nH). Protams, stieples brūču pretestība parasti ir induktīva, nevis kapacitatīva (vismaz zemās frekvencēs). Galu galā, stieples tinumu rezistori ir izgatavoti no spolēm, tāpēc nav nekas neparasts, ka ar vadu uztītiem rezistoriem ir vairāku mikrohm (μH) vai desmitiem mikrohm induktivitāte vai pat tā sauktie “neinduktīvie” stiepļu tinumu rezistori (kur puse spoļu ir uztītas pulksteņrādītāja virzienā, bet otra puse – pretēji pulksteņrādītāja virzienam). Lai indukcija, ko rada abas spoles puses, atceļ viena otru) ir arī 1μH vai vairāk atlikušās induktivitātes. Augstas vērtības stieples tinuma rezistoriem virs aptuveni 10k ω atlikušie rezistori lielākoties ir kapacitatīvi, nevis induktīvi, un kapacitāte ir līdz 10pF, augstāka nekā standarta plānās plēves vai sintētiskajiem rezistoriem. Šī reaktivitāte ir rūpīgi jāapsver, projektējot augstas frekvences ķēdes, kurās ir rezistori.
J: Bet daudzas no jūsu aprakstītajām shēmām tiek izmantotas precīziem mērījumiem līdzstrāvā vai ļoti zemās frekvencēs. Klaiņojošie induktori un klaiņojošie kondensatori šajos pielietojumos nav svarīgi, vai ne?
A: jā. Tā kā tranzistoriem (gan diskrētiem, gan integrētām shēmām) ir ļoti plašs joslas platums, dažkārt svārstības var notikt simtiem vai tūkstošiem megahercu joslu, kad ķēde beidzas ar induktīvu slodzi. Ar svārstībām saistītajām nobīdes un korekcijas darbībām ir slikta ietekme uz zemas frekvences precizitāti un stabilitāti.
Sliktāk, osciloskopā svārstības var nebūt redzamas arī tāpēc, ka osciloskopa joslas platums ir pārāk zems, salīdzinot ar izmērāmo augstfrekvences svārstību joslas platumu, vai arī tāpēc, ka osciloskopa zondes uzlādes jauda ir pietiekama, lai apturētu svārstības. Labākā metode ir izmantot plašu joslu (zemas frekvences līdz 1–5 GHz augstāk) spektra analizatoru, lai pārbaudītu, vai sistēmā nav parazītu svārstību. Šī pārbaude jāveic, ja ievade mainās visā dinamiskajā diapazonā, jo parazitāras svārstības dažkārt notiek ļoti šaurā ievades joslas diapazonā.
J: Vai ir kādi jautājumi par rezistoriem?
A: Rezistora pretestība nav fiksēta, bet mainās atkarībā no temperatūras. Temperatūras koeficients (TC) svārstās no dažiem PPM /° C (miljonās daļas uz Celsija grādu) līdz vairākiem tūkstošiem PPM /° C. Visstabilākie rezistori ir stieples brūces vai metāla plēves rezistori, un vissliktākie ir sintētiskās oglekļa plēves rezistori.
Dažreiz var noderēt lieli temperatūras koeficienti (kT/ Q kompensēšanai krustojuma diodes raksturlieluma vienādojumā var izmantot +3500ppm/ ° C rezistoru, kā iepriekš minēts lietojumprogrammu inženieru jautājumos un atbildēs). Bet kopumā pretestība temperatūrai var būt kļūdu avots precīzās ķēdēs.
Ja ķēdes precizitāte ir atkarīga no divu pretestību ar dažādu temperatūras koeficientu atbilstības, tad neatkarīgi no tā, cik labi tas ir saskaņots vienā temperatūrā, tas nesakritīs pie citas. Pat ja divu rezistoru temperatūras koeficienti sakrīt, nav garantijas, ka tie paliks tādā pašā temperatūrā. Pašsiltums, ko rada iekšējais enerģijas patēriņš vai ārējais siltums, ko pārraida no sistēmas siltuma avota, var izraisīt temperatūras neatbilstību, izraisot pretestību. Pat augstas kvalitātes stieples vai metāla plēves rezistoru temperatūras neatbilstība var būt simtiem (vai pat tūkstošiem) PPM / ℃. Acīmredzamais risinājums ir izmantot divus rezistorus, kas būvēti tā, lai tie abi būtu ļoti tuvu vienai matricai, lai sistēmas precizitāte vienmēr būtu labi saskaņota. Pamatne var būt silīcija vafeles, kas imitē precīzas integrālās shēmas, stikla vafeles vai metāla plēves. Neatkarīgi no pamatnes abi rezistori ražošanas laikā labi sakrīt, tiem ir labi saskaņoti temperatūras koeficienti un tie ir gandrīz vienādā temperatūrā (jo tie ir tik tuvu).