Печатени коло тешки проблеми и решенија

П: Како што споменавме порано за едноставни отпорници, мора да има некои отпорници чии перформанси се токму она што го очекуваме. Што се случува со отпорноста на дел од жица?
О: Ситуацијата е поинаква. Веројатно мислиш на жица или проводен опсег во печатена плоча што делува како жица. Бидејќи суперпроводниците на собна температура с yet уште не се достапни, секоја должина на метална жица делува како отпорник со низок отпор (кој исто така делува како кондензатор и индуктор), и мора да се земе предвид неговиот ефект врз колото.
2. П: Отпорот на многу кратка бакарна жица во мало сигнално коло не смее да биде важен?
О: да разгледаме 16-битен ADC со влезна импеданса од 5k ω. Да претпоставиме дека сигналната линија до влезот ADC се состои од типична плоча за печатено коло (дебела 0.038мм, широка 0.25мм) со проводен опсег од 10см во должина. Има отпор од околу 0.18 ω на собна температура, што е малку помалку од 5K ω × 2 × 2-16 и произведува грешка во добивка од 2LSB во полн степен.
Веројатно, овој проблем може да се ублажи ако, како што веќе е, спроводливиот опсег на ПЕЧАТЕНА кола е поширок. Во аналогни кола, генерално е подобро да се користи поширок опсег, но многу дизајнери на ПХБ (и дизајнери на ПХБ) претпочитаат да користат минимална ширина на опсегот за да го олеснат поставувањето на сигналната линија. Како заклучок, важно е да се пресмета отпорноста на проводната лента и да се анализира нејзината улога во сите можни проблеми.
3. П: Дали има проблем со капацитетот на проводната лента со преголема ширина и металниот слој на задната страна на ПЕЧАТЕНА плоча?
О: Тоа е мало прашање. Иако капацитетот од проводната лента на ПЕЧАТЕНИОТ кола е важен (дури и за нискофреквентни кола, кои можат да произведат паразитски осцилации со висока фреквенција), секогаш треба прво да се процени. Ако ова не е случај, дури и широка спроводлива лента која формира голема капацитивност не е проблем. Ако настанат проблеми, може да се отстрани мала површина од рамнината на земјата за да се намали капацитетот на земјата.
П: Оставете го ова прашање за момент! Што е авион за заземјување?
О: Ако бакарна фолија од целата страна на ПЕЧАТЕНА плоча (или целиот меѓуслој на повеќеслојна печатена плоча) се користи за заземјување, тогаш ова е она што ние го нарекуваме заземјувачка рамнина. Секоја жица за заземјување треба да биде наредена со најмал можен отпор и индуктивност. Ако системот користи рамнина за заземјување, помала е веројатноста да биде погодена од бучава за заземјување. Покрај тоа, рамнината за заземјување исто така има функција на заштита и ладење
П: Заземјувачкиот авион споменат овде е тежок за производителите, нели?
О: Имаше некои проблеми пред 20 години. Денес, поради подобрувањето на врзивата, отпорноста на лемење и технологијата на лемење на бранови во таблите со печатени кола, производството на заземјувачка рамнина стана рутинска работа на печатени плочки.
П: Рековте дека можноста за изложување на систем на бучава од земја со користење на заземјен авион е многу мала. Што останува од проблемот со бучавата од земјата што не може да се реши?
О: Основното коло на заземјениот систем за бучава има рамнина за заземјување, но неговиот отпор и индуктивност не се нула – ако надворешниот извор на струја е доволно силен, тоа ќе влијае на прецизни сигнали. Овој проблем може да се минимизира со правилно уредување на таблите со печатени кола, така што високата струја да не тече во области што влијаат на напонот на заземјување на прецизни сигнали. Понекогаш прекин или пресек во рамнината за заземјување може да пренасочи голема струја на заземјување од чувствителната област, но насилното менување на рамнината за заземјување исто така може да го пренасочи сигналот во чувствителната област, така што таквата техника мора да се користи со претпазливост.
П: Како знам дека падот на напонот е генериран на заземјена рамнина?
О: обично може да се измери падот на напонот, но понекогаш може да се направат пресметки врз основа на отпорноста на материјалот во рамнината за заземјување (номинална 1 унца бакар има отпор од 045m ω /□) и должината на проводен опсег низ кој поминува струјата, иако пресметките можат да бидат комплицирани. Напоните во опсег од dc до ниска фреквенција (50kHz) може да се измерат со засилувачи на инструменти како што се AMP02 или AD620.
Зголемувањето на засилувачот беше поставено на 1000 и поврзано со осцилоскоп со чувствителност од 5mV/div. Засилувачот може да се снабдува од ист извор на енергија како и колото што се испитува, или од сопствен извор на енергија. Меѓутоа, ако заземјувачот за засилувач е одвоен од неговата база на енергија, осцилоскопот мора да биде поврзан со базата за напојување на користеното коло за напојување.
Отпорот помеѓу било кои две точки на земјата рамнина може да се измери со додавање на сонда на двете точки. Комбинацијата на засилувач на засилувач и чувствителност на осцилоскоп овозможува чувствителноста на мерењето да достигне 5μV/div. Бучавата од засилувачот ќе ја зголеми ширината на кривата на брановидна форма на осцилоскоп за околу 3μV, но сепак е можно да се постигне резолуција од околу 1μV – доволно за да се разликува најголемиот шум од земјата со доверба до 80%.
П: Што треба да се забележи за горенаведениот метод за тестирање?
О: Секое наизменично магнетно поле ќе предизвика напон на кабелот на сондата, што може да се тестира со краток спој на сондите едни на други (и обезбедување на девијациона патека до отпорот на земјата) и набудување на брановата форма на осцилоскоп. Набудуваната форма на бранови наизменична струја се должи на индукција и може да се минимизира со промена на положбата на оловото или со обид да се елиминира магнетното поле. Покрај тоа, неопходно е да се осигура дека заземјувањето на засилувачот е поврзано со заземјувањето на системот. Ако засилувачот ја има оваа врска, нема повратна патека за враќање и засилувачот нема да работи. Заземјувањето исто така треба да осигура дека користениот метод на заземјување не ја попречува тековната распределба на колото што се испитува.
П: Како да се измери бучавата за заземјување со висока фреквенција?
О: Тешко е да се измери бучавата на подлогата со соодветен засилувач за инструментација со широкопојасен опсег, па затоа се соодветни пасивни сонди hf и VHF. Се состои од феритен магнетски прстен (надворешен дијаметар од 6 ~ 8мм) со два калеми од по 6 ~ 10 вртења. За да се формира изолационен трансформатор со висока фреквенција, еден калем е поврзан со влезот за спектар анализатор, а другиот со сондата.
Методот за тестирање е сличен на случајот со ниска фреквенција, но анализаторот на спектар користи карактеристични криви на амплитуда-фреквенција за да претставува бучава. За разлика од својствата на временскиот домен, изворите на бучава може лесно да се разликуваат врз основа на нивните фреквентни карактеристики. Покрај тоа, чувствителноста на спектарниот анализатор е најмалку 60dB повисока од онаа на широкопојасниот осцилоскоп.
П: Што е со индуктивноста на жицата?
О: Индуктивноста на проводниците и проводните опсези на ПХБ не може да се игнорираат на повисоки фреквенции. За да се пресмета индуктивноста на права жица и проводен опсег, овде се воведуваат две приближности.
На пример, проводен опсег долг 1см и широк 0.25мм ќе формира индуктивност од 10nH.
Индуктивност на проводникот = 0.0002LLN2LR-0.75 μH
На пример, индуктивноста на жица со надворешен дијаметар долг 1см е 0.5nh (7.26R = 2мм, Л = 0.5см)
Индуктивност на проводна лента = 0.0002LLN2LW+H+0.2235W+HL+0.5μH
На пример, индуктивноста на проводниот опсег на печатена плоча со ширина од 1cm е 0.25nh (H = 9.59mm, W = 0.038mm, L = 0.25cm).
Сепак, индуктивната реактанса обично е многу помала од паразитскиот флукс и индуцираниот напон на исеченото индуктивно коло. Областа на јамката мора да се минимизира бидејќи индуцираниот напон е пропорционален со областа на јамката. Ова е лесно да се направи кога жици се извртени-пар.
Во таблите со печатени кола, патеките за водење и враќање треба да бидат блиску еден до друг. Малите промени во жици често го минимизираат влијанието, видете го изворот А поврзан со јамката Б со ниска енергија.
Намалувањето на површината на јамката или зголемувањето на растојанието помеѓу спојните јамки ќе го минимизира ефектот. Областа на јамката обично се намалува на минимум и растојанието помеѓу спојните јамки е максимизирано. Магнетниот оклоп понекогаш е потребен, но е скап и подложен на механички дефект, затоа избегнувајте го.
11. П: Во прашања и одговори за инженери за апликации, често се споменува неидеално однесување на интегрирани кола. Треба да биде полесно да се користат едноставни компоненти како што се отпорници. Објаснете ја близината на идеалните компоненти.
О: Само сакам отпорник да биде идеален уред, но краткиот цилиндар на чело со отпорник делува точно како чист отпорник. Вистинскиот отпорник исто така ја содржи имагинарната компонента на отпор – компонентата на реактанса. Повеќето отпорници имаат мала капацитет (обично 1 до 3pF) паралелно со нивниот отпор. Иако некои филмски отпорници, сечењето на спиралните жлебови во нивните резистивни филмови е претежно индуктивно, нивната индуктивна реактанса е десетици или стотици нахени (nH). Се разбира, отпорноста на жичаните рани е генерално индуктивна отколку капацитивна (барем при ниски фреквенции). На крајот на краиштата, отпорниците со жица се направени од калеми, така што не е невообичаено отпорниците со жица да имаат индуктивност од неколку микроми (μH) или десетици микроми, или дури и таканаречени „неиндуктивни“ отпорници со жица. (каде што половина од калемите се намотани во насока на стрелките на часовникот, а другата половина спротивно од стрелките на часовникот). Така што индуктивноста произведена од двете половини на серпентина се откажува едни со други), исто така, има 1μH или повеќе резидуална индуктивност. За отпорни жици со висока вредност над приближно 10k ω, преостанатите отпорници се претежно капацитивни отколку индуктивни, а капацитетот е до 10pF, повисок од оној на стандардниот тенок филм или синтетички отпорници. Оваа реактанса мора внимателно да се земе предвид при дизајнирање на високофреквентни кола што содржат отпорници.
П: Но, многу кола што ги опишувате се користат за прецизни мерења на DC или многу ниски фреквенции. Залутаните индуктори и заскитаните кондензатори се ирелевантни во овие апликации, нели?
О: да. Бидејќи транзисторите (и дискретни и во рамките на интегрираните кола) имаат широка ширина на опсег, понекогаш може да настанат осцилации во стотици или илјадници мегахерцни опсези кога колото завршува со индуктивно оптоварување. Дејствијата за поместување и исправување поврзани со осцилации имаат лоши ефекти врз точноста и стабилноста на ниската фреквенција.
Уште полошо, осцилациите можеби не се видливи на осцилоскоп, бидејќи пропусниот опсег на осцилоскопот е премногу низок во споредба со пропусниот опсег на високофреквентните осцилации што се мерат, или затоа што капацитетот на полнење на сондата за осцилоскоп е доволен за да ги запре осцилациите. Најдобар метод е да се користи анализатор на широк опсег (ниска фреквенција до 15GHz погоре) за да се провери системот за паразитски осцилации. Оваа проверка треба да се направи кога влезот варира низ целиот динамичен опсег, бидејќи паразитски осцилации понекогаш се случуваат во многу тесен опсег на влезната лента.
П: Дали има прашања во врска со отпорниците?
О: Отпорот на отпорник не е фиксен, но варира со температурата. Температурниот коефициент (TC) варира од неколку PPM /° C (милионити делови по Целзиусови степени) до неколку илјади PPM /° C. Најстабилни отпорници се отпорници од жица или метални филмски отпорници, а најлоши се синтетички отпорници од јаглеродни филмови.
Поголемите температурни коефициенти понекогаш можат да бидат корисни (отпорник +3500ppm/ ° C може да се користи за компензација на kT/ Q во карактеристичната равенка на раскрсната диода, како што беше претходно споменато во Q&AS за инженери за апликација). Но, генерално отпорот со температурата може да биде извор на грешка во прецизни кола.
Ако прецизноста на колото зависи од совпаѓањето на два отпорници со различни температурни коефициенти, тогаш колку и да се совпаѓаат добро на една температура, нема да се совпадне на другата. Дури и ако температурните коефициенти на два отпорници се совпаѓаат, нема гаранција дека тие ќе останат на иста температура. Само-топлината генерирана од внатрешна потрошувачка на енергија или надворешна топлина пренесена од извор на топлина во системот може да предизвика несовпаѓање на температурата, што резултира со отпор. Дури и висококвалитетните отпорници од жица или метални филмови може да имаат температурни несовпаѓања од стотици (па дури и илјадници) PPM /. Очигледното решение е да се користат два отпорници изградени така што и двајцата се многу блиску до иста матрица, така што точноста на системот добро се совпаѓа во секое време. Подлогата може да биде силиконски обланди кои симулираат прецизни интегрирани кола, стаклени обланди или метални филмови. Без оглед на подлогата, двата отпорници добро се совпаѓаат за време на производството, имаат добро усогласени температурни коефициенти и се приближно на иста температура (бидејќи се толку блиску).