Papan litar bercetak masalah dan penyelesaian yang sukar

S: Seperti yang telah disebutkan sebelumnya mengenai perintang sederhana, mesti ada beberapa perintang yang prestasinya tepat seperti yang kita harapkan. Apa yang berlaku pada rintangan bahagian wayar?
J: Keadaannya berbeza. Mungkin anda merujuk pada wayar atau jalur konduktif dalam papan litar bercetak yang berfungsi sebagai wayar. Oleh kerana superkonduktor suhu bilik belum tersedia, panjang wayar logam bertindak sebagai perintang rintangan rendah (yang juga bertindak sebagai kapasitor dan induktor), dan kesannya pada litar mesti dipertimbangkan.
2. Q: Rintangan wayar tembaga yang sangat pendek dalam litar isyarat kecil mesti tidak penting?
J: mari kita pertimbangkan ADC 16-bit dengan impedans input 5k ω. Anggapkan bahawa garis isyarat ke input ADC terdiri daripada papan litar bercetak khas (tebal 0.038mm, lebar 0.25mm) dengan jalur konduktif sepanjang 10cm. Ia mempunyai ketahanan sekitar 0.18 ω pada suhu bilik, yang sedikit kurang dari 5K ω × 2 × 2-16 dan menghasilkan ralat kenaikan 2LSB pada tahap penuh.
Boleh dikatakan, masalah ini dapat dikurangkan jika, seperti sudah, jalur konduktif papan litar PRINTED dibuat lebih luas. Dalam litar analog, biasanya lebih baik menggunakan jalur yang lebih luas, tetapi banyak pereka PCB (dan pereka PCB) lebih suka menggunakan lebar jalur minimum untuk memudahkan penempatan garis isyarat. Sebagai kesimpulan, penting untuk mengira rintangan jalur konduktif dan menganalisis peranannya dalam semua masalah yang mungkin berlaku.
3. Q: Adakah terdapat masalah dengan kapasitansi jalur konduktif dengan lebar yang terlalu besar dan lapisan logam di bahagian belakang papan litar PRINTED?
J: Ini soalan kecil. Walaupun kapasitansi dari jalur konduktif papan litar PRINTED penting (walaupun untuk litar frekuensi rendah, yang dapat menghasilkan ayunan parasit frekuensi tinggi), ia harus selalu dianggarkan terlebih dahulu. Sekiranya ini tidak berlaku, bahkan jalur konduktif lebar yang membentuk kapasitansi besar tidak menjadi masalah. Sekiranya timbul masalah, kawasan kecil bidang tanah dapat dikeluarkan untuk mengurangkan kapasitansi ke bumi.
S: Tinggalkan soalan ini sebentar! Apakah satah pembumian?
J: Sekiranya kerajang tembaga di seluruh sisi papan litar PRINTED (atau seluruh lapisan papan litar bercetak multilayer) digunakan untuk pembumian, maka inilah yang kita namakan sebagai bidang pembumian. Sebarang wayar tanah hendaklah disusun dengan rintangan dan aruhan yang sekecil mungkin. Sekiranya sistem menggunakan bidang pembumian, kemungkinannya tidak akan dipengaruhi oleh kebisingan pembumian. Selain itu, bidang pembumian juga mempunyai fungsi melindungi dan menyejukkan
Q: Pesawat pembumian yang disebutkan di sini sukar bagi pengeluar, bukan?
J: Terdapat beberapa masalah 20 tahun yang lalu. Hari ini, kerana peningkatan teknologi pengikat, ketahanan solder dan pematerian gelombang pada papan litar bercetak, pembuatan pesawat pembumian telah menjadi operasi rutin papan litar bercetak.
S: Anda mengatakan bahawa kemungkinan mendedahkan sistem ke kebisingan tanah dengan menggunakan pesawat tanah sangat kecil. Apa yang tinggal dari masalah kebisingan tanah yang tidak dapat diselesaikan?
J: Litar asas sistem bunyi yang dibumikan mempunyai bidang tanah, tetapi rintangan dan aruhannya tidak sifar – jika sumber arus luaran cukup kuat, ia akan mempengaruhi isyarat yang tepat. Masalah ini dapat dikurangkan dengan menyusun papan litar bercetak dengan betul supaya arus tinggi tidak mengalir ke kawasan yang mempengaruhi voltan pembumian isyarat ketepatan. Kadang-kadang jeda atau celah pada bidang tanah dapat mengalihkan arus pembumian yang besar dari kawasan sensitif, tetapi secara paksa mengubah permukaan tanah juga dapat mengalihkan isyarat ke kawasan sensitif, jadi teknik semacam itu harus digunakan dengan hati-hati.
Q: Bagaimana saya mengetahui penurunan voltan yang dihasilkan pada satah yang dibumikan?
J: biasanya penurunan voltan dapat diukur, tetapi kadang-kadang pengiraan dapat dibuat berdasarkan rintangan bahan dalam bidang pembumian (nominal 1 ons tembaga mempunyai rintangan 045m ω / □) dan panjang jalur konduktif yang melewati arus, walaupun pengiraannya boleh menjadi rumit. Voltan dalam julat frekuensi dc hingga rendah (50kHz) dapat diukur dengan penguat instrumentasi seperti AMP02 atau AD620.
Penguatan penguat ditetapkan pada 1000 dan disambungkan ke osiloskop dengan kepekaan 5mV / div. Penguat boleh dibekalkan dari sumber kuasa yang sama dengan litar yang diuji, atau dari sumber kuasa sendiri. Walau bagaimanapun, jika tanah penguat dipisahkan dari pangkalan daya, osiloskop mesti disambungkan ke dasar kuasa litar kuasa yang digunakan.
Rintangan antara dua titik pada satah tanah dapat diukur dengan menambahkan probe ke dua titik tersebut. Gabungan penguatan penguat dan kepekaan osiloskop memungkinkan kepekaan pengukuran mencapai 5μV / div. Kebisingan dari penguat akan meningkatkan lebar lengkung bentuk gelombang osiloskop sekitar 3μV, tetapi masih mungkin untuk mencapai resolusi sekitar 1μV – cukup untuk membezakan kebanyakan kebisingan tanah dengan keyakinan hingga 80%.
S: Apa yang harus diperhatikan mengenai kaedah ujian di atas?
A: Mana-mana medan magnet yang bergantian akan menyebabkan voltan pada plumbum probe, yang dapat diuji dengan melekatkan probe antara satu sama lain (dan memberikan jalan pesongan ke rintangan tanah) dan memerhatikan bentuk gelombang osiloskop. Bentuk gelombang AC yang diperhatikan disebabkan oleh induksi dan dapat diminimumkan dengan mengubah posisi plumbum atau dengan berusaha menghilangkan medan magnet. Sebagai tambahan, perlu memastikan bahawa pembumian penguat disambungkan ke pembumian sistem. Sekiranya penguat mempunyai sambungan ini, tidak ada jalan balik pesongan dan penguat tidak akan berfungsi. Pembumian juga harus memastikan bahawa kaedah pembumian yang digunakan tidak mengganggu pengedaran arus litar yang diuji.
Q: Bagaimana mengukur kebisingan pembumian frekuensi tinggi?
J: Sukar untuk mengukur kebisingan tanah dengan penguat instrumentasi jalur lebar yang sesuai, jadi probe pasif hf dan VHF sesuai. Ia terdiri daripada cincin magnet ferit (diameter luar 6 ~ 8mm) dengan dua gegelung masing-masing 6 ~ 10 putaran. Untuk membentuk pengubah pengasingan frekuensi tinggi, satu gegelung disambungkan ke input penganalisis spektrum dan yang lain ke probe.
Kaedah ujian serupa dengan kes frekuensi rendah, tetapi penganalisis spektrum menggunakan lengkung ciri frekuensi amplitud untuk mewakili kebisingan. Tidak seperti sifat domain masa, sumber kebisingan dapat dibezakan dengan mudah berdasarkan ciri frekuensi mereka. Di samping itu, sensitiviti penganalisis spektrum sekurang-kurangnya 60dB lebih tinggi daripada osiloskop jalur lebar.
Q: Bagaimana dengan induktansi wayar?
J: Induktansi konduktor dan jalur konduktif PCB tidak boleh diabaikan pada frekuensi yang lebih tinggi. Untuk menghitung induktansi wayar lurus dan jalur konduktif, dua perkiraan diperkenalkan di sini.
Contohnya, jalur konduktif dengan panjang 1cm dan lebar 0.25mm akan membentuk induktansi 10nH.
Kearuhan konduktor = 0.0002LLN2LR-0.75 μH
Sebagai contoh, induktansi wayar diameter luar 1mm panjang 0.5cm ialah 7.26nh (2R = 0.5mm, L = 1cm)
Induktansi jalur konduktif = 0.0002LLN2LW + H + 0.2235W + HL + 0.5μH
Sebagai contoh, induktansi jalur konduktif papan litar bercetak selebar 1cm lebar 0.25mm ialah 9.59nh (H = 0.038mm, W = 0.25mm, L = 1cm).
Walau bagaimanapun, reaktansi induktif biasanya jauh lebih kecil daripada fluks parasit dan voltan teraruh dari litar induktif pemotongan. Kawasan gelung mesti diminimumkan kerana voltan teraruh berkadar dengan kawasan gelung. Ini mudah dilakukan semasa pendawaian berpasangan berpintal.
Dalam papan litar bercetak, jalur plumbum dan pemulangan harus berdekatan. Perubahan pendawaian kecil sering meminimumkan hentaman, lihat sumber A digabungkan dengan gelung tenaga rendah B.
Mengurangkan kawasan gelung atau meningkatkan jarak antara gelung gandingan akan mengurangkan kesannya. Kawasan gelung biasanya dikurangkan minimum dan jarak antara gelung gandingan dimaksimumkan. Kadang-kadang pelindung magnet diperlukan, tetapi mahal dan terdedah kepada kerosakan mekanikal, jadi elakkan.
11. Q: Dalam Soal Jawab untuk Jurutera Aplikasi, tingkah laku litar bersepadu yang tidak ideal sering disebut. Lebih mudah menggunakan komponen sederhana seperti perintang. Terangkan jarak komponen ideal.
J: Saya hanya mahu perintang menjadi alat yang ideal, tetapi silinder pendek di bahagian bawah perintang berfungsi sama seperti perintang tulen. Perintang sebenarnya juga mengandungi komponen daya tahan khayalan – komponen reaktansi. Sebilangan besar perintang mempunyai kapasitansi kecil (biasanya 1 hingga 3pF) selari dengan rintangannya. Walaupun beberapa perintang filem, pemotongan alur heliks pada filem resistifnya kebanyakannya bersifat induktif, reaktansi induktifnya berpuluh atau ratusan nahen (nH). Sudah tentu, rintangan luka wayar umumnya bersifat induktif dan bukannya kapasitif (sekurang-kurangnya pada frekuensi rendah). Bagaimanapun, perintang luka wayar terbuat dari gegelung, jadi tidak jarang perintang luka wayar mempunyai induktansi beberapa mikrohm (μH) atau puluhan mikrohm, atau bahkan yang disebut perintang luka wayar “bukan induktif” (di mana separuh gegelung dililit mengikut arah jam dan separuh yang lain berlawanan arah jam). Sehingga induktansi yang dihasilkan oleh dua bahagian gegelung saling membatalkan) juga mempunyai 1μH atau lebih induktansi baki. Untuk perintang luka-wayar bernilai tinggi di atas kira-kira 10k ω, perintang yang selebihnya kebanyakannya kapasitif daripada induktif, dan kapasitansinya hingga 10pF, lebih tinggi daripada perintang filem tipis atau perintang sintetik. Reaktansi ini mesti dipertimbangkan dengan teliti semasa merancang litar frekuensi tinggi yang mengandungi perintang.
S: Tetapi banyak litar yang anda gambarkan digunakan untuk pengukuran tepat pada frekuensi DC atau sangat rendah. Induktor sesat dan kapasitor sesat tidak relevan dalam aplikasi ini, bukan?
J: ya. Kerana transistor (kedua-dua diskrit dan dalam litar bersepadu) mempunyai lebar pita yang sangat luas, ayunan kadang-kadang boleh berlaku pada band beratus-ratus atau ribuan megahertz apabila litar berakhir dengan beban induktif. Tindakan mengimbangi dan membetulkan yang berkaitan dengan ayunan mempunyai kesan buruk terhadap ketepatan dan kestabilan frekuensi rendah.
Lebih buruk lagi, ayunan mungkin tidak dapat dilihat pada osiloskop kerana lebar jalur osiloskop terlalu rendah berbanding dengan lebar jalur osilasi frekuensi tinggi yang sedang diukur, atau kerana kapasiti cas probe osiloskop cukup untuk menghentikan ayunan. Kaedah terbaik adalah menggunakan penganalisis spektrum jalur lebar (frekuensi rendah hingga 15GHz di atas) untuk memeriksa sistem untuk perayunan parasit. Pemeriksaan ini harus dilakukan ketika input bervariasi di seluruh julat dinamik, kerana osilasi parasit kadang-kadang terjadi dalam julat jalur input yang sangat sempit.
Q: Adakah terdapat pertanyaan mengenai perintang?
J: Rintangan perintang tidak tetap, tetapi berbeza mengikut suhu. Pekali suhu (TC) berbeza dari beberapa PPM / ° C (seperseratus per darjah Celsius) hingga beberapa ribu PPM / ° C. Perintang yang paling stabil adalah perintang luka wayar atau filem logam, dan yang paling teruk adalah perintang filem karbon sintetik.
Pekali suhu yang besar kadang-kadang berguna (perintang + 3500ppm / ° C dapat digunakan untuk mengimbangi kT / Q dalam persamaan ciri diod persimpangan, seperti yang disebutkan sebelumnya dalam Soal Jawab untuk Jurutera Aplikasi). Tetapi secara amnya rintangan dengan suhu boleh menjadi sumber kesalahan dalam litar ketepatan.
Sekiranya ketepatan litar bergantung pada padanan dua perintang dengan pekali suhu yang berbeza, maka tidak kira seberapa baik dipadankan pada satu suhu, ia tidak akan sama dengan yang lain. Walaupun pekali suhu dua perintang sepadan, tidak ada jaminan bahawa mereka akan tetap pada suhu yang sama. Panas sendiri yang dihasilkan oleh penggunaan kuasa dalaman atau haba luaran yang dipancarkan dari sumber haba dalam sistem boleh menyebabkan ketidakcocokan suhu, yang mengakibatkan rintangan. Malah perintang luka-wayar atau filem logam berkualiti tinggi boleh mempunyai ketidakcocokan suhu ratusan (atau bahkan ribuan) PPM / ℃. Penyelesaian yang jelas adalah menggunakan dua perintang yang dibina supaya keduanya sangat dekat dengan matriks yang sama, sehingga ketepatan sistem dipadankan dengan baik setiap saat. Substratnya boleh menjadi wafer silikon yang mensimulasikan litar bersepadu tepat, wafer kaca atau filem logam. Terlepas dari substrat, dua perintang sesuai dengan baik semasa pembuatan, mempunyai pekali suhu yang sesuai, dan berada pada suhu yang hampir sama (kerana keduanya sangat dekat).