Printplaat moeilijke problemen en oplossingen

Q: As mentioned earlier about simple resistors, there must be some resistors whose performance is exactly what we expect. What happens to the resistance of a section of wire?
Antwoord: De situatie is anders. Vermoedelijk bedoel je een draad of een geleidende band in een printplaat die als een draad fungeert. Aangezien er nog geen supergeleiders bij kamertemperatuur beschikbaar zijn, werkt elke lengte metaaldraad als een weerstand met lage weerstand (die ook als condensator en inductor fungeert) en moet het effect ervan op het circuit worden overwogen.
2. V: De weerstand van een zeer korte koperdraad in een klein signaalcircuit mag niet belangrijk zijn?
A: laten we eens kijken naar een 16-bits ADC met een ingangsimpedantie van 5k . Neem aan dat de signaallijn naar de ADC-ingang bestaat uit een typische printplaat (0.038 mm dik, 0.25 mm breed) met een geleidende band van 10 cm lang. Het heeft een weerstand van ongeveer 0.18 ω bij kamertemperatuur, wat iets minder is dan 5K ω × 2 × 2-16 en produceert een versterkingsfout van 2LSB bij volledige graad.
Dit probleem kan waarschijnlijk worden verzacht als, zoals het al is, de geleidende band van de PRINTED-printplaat breder wordt gemaakt. In analoge circuits verdient het over het algemeen de voorkeur om een ​​bredere band te gebruiken, maar veel PCB-ontwerpers (en PCB-ontwerpers) geven er de voorkeur aan een minimale bandbreedte te gebruiken om de plaatsing van de signaallijn te vergemakkelijken. Concluderend is het belangrijk om de weerstand van de geleidende band te berekenen en zijn rol in alle mogelijke problemen te analyseren.
3. V: Is er een probleem met de capaciteit van de geleidende band met een te grote breedte en de metalen laag op de achterkant van de PRINTED-printplaat?
A: Het is een kleine vraag. Hoewel de capaciteit van de geleidende band van de PRINTED-printplaat belangrijk is (zelfs voor laagfrequente circuits, die parasitaire oscillaties met hoge frequentie kunnen produceren), moet deze altijd eerst worden geschat. Als dit niet het geval is, is zelfs een brede geleidende band die een grote capaciteit vormt geen probleem. Als er zich problemen voordoen, kan een klein deel van het grondvlak worden verwijderd om de capaciteit naar aarde te verminderen.
Vraag: Laat deze vraag even staan! Wat is het aardingsvlak?
A: Als voor de aarding koperfolie op de gehele zijde van een PRINTED-printplaat (of de gehele tussenlaag van een meerlaagse printplaat) wordt gebruikt, dan noemen we dit een aardingsvlak. Elke aardingsdraad moet worden aangebracht met de kleinst mogelijke weerstand en inductantie. Als een systeem gebruik maakt van een aardingsvlak, wordt het minder snel beïnvloed door aardingsgeluid. Bovendien heeft het aardingsvlak ook de functie van afscherming en koeling
V: Het hier genoemde aardingsvlak is moeilijk voor fabrikanten, toch?
A: Er waren 20 jaar geleden wat problemen. Door de verbetering van bindmiddel, soldeerweerstand en golfsoldeertechnologie in printplaten, is de productie van aardingsvlakken tegenwoordig een routinematige bewerking van printplaten geworden.
V: U zei dat de mogelijkheid om een ​​systeem aan grondgeluid bloot te stellen door gebruik te maken van een grondvlak erg klein is. Wat blijft er over van het grondgeluidsprobleem dat niet kan worden opgelost?
A: Het basiscircuit van een geaard ruissysteem heeft een aardvlak, maar de weerstand en inductantie zijn niet nul – als de externe stroombron sterk genoeg is, zal dit precieze signalen beïnvloeden. Dit probleem kan worden geminimaliseerd door de printplaten op de juiste manier te rangschikken, zodat er geen hoge stroom vloeit naar gebieden die de aardingsspanning van precisiesignalen beïnvloeden. Soms kan een breuk of spleet in het grondvlak een grote aardingsstroom van het gevoelige gebied afleiden, maar het krachtig veranderen van het grondvlak kan het signaal ook naar het gevoelige gebied omleiden, dus een dergelijke techniek moet met zorg worden gebruikt.
Vraag: Hoe weet ik de spanningsval die wordt gegenereerd op een geaard vliegtuig?
A: meestal kan de spanningsval worden gemeten, maar soms kunnen berekeningen worden gemaakt op basis van de weerstand van het materiaal in het aardingsvlak (een nominale 1 ounce koper heeft een weerstand van 045m ω /□) en de lengte van de geleidende band waardoor de stroom gaat, hoewel berekeningen ingewikkeld kunnen zijn. Spanningen in het bereik van gelijkstroom tot lage frequentie (50 kHz) kunnen worden gemeten met instrumentatieversterkers zoals AMP-02 of AD620.
De versterking van de versterker was ingesteld op 1000 en aangesloten op een oscilloscoop met een gevoeligheid van 5mV/div. De versterker kan worden gevoed door dezelfde stroombron als het te testen circuit, of door zijn eigen stroombron. Als de aarde van de versterker echter gescheiden is van de voedingsbasis, moet de oscilloscoop worden aangesloten op de voedingsbasis van het gebruikte stroomcircuit.
The resistance between any two points on the ground plane can be measured by adding a probe to the two points. The combination of amplifier gain and oscilloscope sensitivity enables the measurement sensitivity to reach 5μV/div. Noise from the amplifier will increase the width of the oscilloscope waveform curve by about 3μV, but it is still possible to achieve a resolution of about 1μV — enough to distinguish most ground noise with up to 80% confidence.
Vraag: Wat moet worden opgemerkt over de bovenstaande testmethode?
A: Elk wisselend magnetisch veld induceert een spanning op de sondekabel, die kan worden getest door de sondes met elkaar kort te sluiten (en een afbuigpad naar de aardingsweerstand te bieden) en de golfvorm van de oscilloscoop te observeren. De waargenomen AC-golfvorm is te wijten aan inductie en kan worden geminimaliseerd door de positie van de leiding te veranderen of door te proberen het magnetische veld te elimineren. Bovendien moet ervoor worden gezorgd dat de aarding van de versterker is verbonden met de aarding van het systeem. Als de versterker deze aansluiting heeft, is er geen afbuigretourpad en zal de versterker niet werken. Aarding moet er ook voor zorgen dat de gebruikte aardingsmethode de stroomverdeling van het te testen circuit niet verstoort.
Vraag: Hoe het hoogfrequente aardingsgeluid te meten?
A: Het is moeilijk om hf-grondruis te meten met een geschikte breedbandinstrumentatieversterker, dus passieve hf- en VHF-sondes zijn geschikt. Het bestaat uit een magnetische ring van ferriet (buitendiameter van 6 ~ 8 mm) met twee spoelen van elk 6 ~ 10 windingen. Om een ​​hoogfrequente scheidingstransformator te vormen, wordt één spoel aangesloten op de ingang van de spectrumanalysator en de andere op de sonde.
De testmethode is vergelijkbaar met het geval van lage frequenties, maar de spectrumanalysator gebruikt amplitude-frequentiekarakteristieken om ruis weer te geven. In tegenstelling tot tijdsdomeineigenschappen kunnen ruisbronnen gemakkelijk worden onderscheiden op basis van hun frequentiekarakteristieken. Daarnaast is de gevoeligheid van de spectrumanalysator minimaal 60dB hoger dan die van de breedbandoscilloscoop.
Vraag: Hoe zit het met de inductantie van een draad?
A: De inductantie van geleiders en PCB-geleidende banden kan bij hogere frequenties niet worden genegeerd. Om de inductantie van een rechte draad en een geleidende band te berekenen, worden hier twee benaderingen geïntroduceerd.
Een geleidende band van 1 cm lang en 0.25 mm breed vormt bijvoorbeeld een inductantie van 10 nH.
Conductor inductance = 0.0002LLN2LR-0.75 μH
Bijvoorbeeld, de inductantie van een 1 cm lange draad met een buitendiameter van 0.5 mm is 7.26 nh (2R=0.5 mm,L=1 cm)
Geleidende bandinductantie = 0.0002LLN2LW +H+0.2235W+HL+0.5μH
De inductantie van de 1 cm brede geleidende band van 0.25 mm printplaat is bijvoorbeeld 9.59 nh (H = 0.038 mm, B = 0.25 mm, L = 1 cm).
De inductieve reactantie is echter meestal veel kleiner dan de parasitaire flux en de geïnduceerde spanning van het afgesneden inductieve circuit. Het lusoppervlak moet worden geminimaliseerd omdat de geïnduceerde spanning evenredig is met het lusoppervlak. Dit is gemakkelijk te doen als de bedrading getwist is.
Bij printplaten moeten de lead- en retourpaden dicht bij elkaar liggen. Kleine veranderingen in de bedrading minimaliseren vaak de impact, zie bron A gekoppeld aan lage-energielus B.
Door het lusoppervlak te verkleinen of de afstand tussen de koppellussen te vergroten, wordt het effect geminimaliseerd. Het lusoppervlak wordt meestal tot een minimum beperkt en de afstand tussen de koppellussen wordt gemaximaliseerd. Magnetische afscherming is soms vereist, maar is duur en vatbaar voor mechanische storingen, dus vermijd het.
11. V: In Q&A voor Application Engineers wordt vaak niet-ideaal gedrag van geïntegreerde schakelingen genoemd. Het moet gemakkelijker zijn om eenvoudige componenten zoals weerstanden te gebruiken. Leg de nabijheid van ideale componenten uit.
A: Ik wil gewoon dat een weerstand een ideaal apparaat is, maar de korte cilinder aan het begin van een weerstand werkt precies als een pure weerstand. De eigenlijke weerstand bevat ook de denkbeeldige weerstandscomponent – de reactantiecomponent. De meeste weerstanden hebben een kleine capaciteit (meestal 1 tot 3 pF) parallel aan hun weerstand. Hoewel sommige filmweerstanden het snijden van spiraalvormige groeven in hun resistieve films meestal inductief zijn, is hun inductieve reactantie tientallen of honderden nahen (nH). Natuurlijk zijn draadgewonden weerstanden over het algemeen inductief in plaats van capacitief (tenminste bij lage frequenties). Draadgewonden weerstanden zijn immers gemaakt van spoelen, dus het is niet ongebruikelijk dat draadgewonden weerstanden inductanties hebben van enkele microhm (μH) of tientallen microhm, of zelfs zogenaamde “niet-inductieve” draadgewonden weerstanden (waarbij de helft van de spoelen met de klok mee is gewikkeld en de andere helft tegen de klok in). Zodat de inductantie geproduceerd door de twee helften van de spoel elkaar opheft) heeft ook 1μH of meer restinductantie. Voor hoogwaardige draadgewonden weerstanden van meer dan ongeveer 10k zijn de overige weerstanden meestal capacitief in plaats van inductief, en de capaciteit is tot 10 pF, hoger dan die van standaard dunne film of synthetische weerstanden. Deze reactantie moet zorgvuldig worden overwogen bij het ontwerpen van hoogfrequente circuits die weerstanden bevatten.
V: Maar veel van de circuits die u beschrijft, worden gebruikt voor nauwkeurige metingen bij gelijkstroom of zeer lage frequenties. Verdwaalde smoorspoelen en verdwaalde condensatoren zijn niet relevant in deze toepassingen, toch?
een: ja. Omdat transistors (zowel discrete als binnen geïntegreerde schakelingen) zeer brede bandbreedtes hebben, kunnen er soms oscillaties optreden in de honderden of duizenden megahertz-banden wanneer de schakeling eindigt met een inductieve belasting. De offset- en rectificatieacties die gepaard gaan met oscillaties hebben slechte effecten op de nauwkeurigheid en stabiliteit van lage frequenties.
Erger nog, de oscillaties zijn mogelijk niet zichtbaar op een oscilloscoop, hetzij omdat de bandbreedte van de oscilloscoop te laag is in vergelijking met de bandbreedte van de hoogfrequente oscillaties die worden gemeten, of omdat de laadcapaciteit van de oscilloscoop-sonde voldoende is om de oscillaties te stoppen. De beste methode is om een ​​breedband (lage frequentie tot 15GHz hierboven) spectrumanalysator te gebruiken om het systeem te controleren op parasitaire oscillaties. Deze controle moet worden uitgevoerd wanneer de ingang varieert over het gehele dynamische bereik, omdat parasitaire oscillaties soms optreden in een zeer smal bereik van de ingangsband.
Q: Zijn er vragen over weerstanden?
A: The resistance of a resistor is not fixed, but varies with temperature. The temperature coefficient (TC) varies from a few PPM /°C(millionths per degree Celsius) to several thousand PPM /°C. The most stable resistors are wire wound or metal film resistors, and the worst are synthetic carbon film resistors.
Grote temperatuurcoëfficiënten kunnen soms nuttig zijn (een weerstand van +3500ppm/°C kan worden gebruikt om kT/Q te compenseren in de karakteristieke vergelijking van de junctiediode, zoals eerder vermeld in Q&AS voor Application Engineers). Maar in het algemeen kan weerstand met temperatuur een bron van fouten zijn in precisiecircuits.
Als de precisie van de schakeling afhangt van de overeenstemming van twee weerstanden met verschillende temperatuurcoëfficiënten, dan zal deze, ongeacht hoe goed ze bij de ene temperatuur passen, niet bij de andere passen. Zelfs als de temperatuurcoëfficiënten van twee weerstanden overeenkomen, is er geen garantie dat ze op dezelfde temperatuur blijven. Zelfwarmte die wordt gegenereerd door intern stroomverbruik of externe warmte die wordt overgedragen door een warmtebron in het systeem, kan temperatuurverschillen veroorzaken, wat resulteert in weerstand. Zelfs hoogwaardige draadgewonden of metaalfilmweerstanden kunnen temperatuurverschillen van honderden (of zelfs duizenden) PPM / ℃ hebben. De voor de hand liggende oplossing is om twee weerstanden te gebruiken die zo zijn gebouwd dat ze allebei heel dicht bij dezelfde matrix liggen, zodat de nauwkeurigheid van het systeem te allen tijde goed overeenkomt. Het substraat kan bestaan ​​uit siliciumwafels die nauwkeurige geïntegreerde schakelingen, glaswafels of metaalfilms simuleren. Ongeacht het substraat passen de twee weerstanden goed bij elkaar tijdens de fabricage, hebben ze goed op elkaar afgestemde temperatuurcoëfficiënten en hebben ze bijna dezelfde temperatuur (omdat ze zo dicht bij elkaar liggen).