Kretskort vanskelige problemer og løsninger

Spørsmål: Som nevnt tidligere om enkle motstander, må det være noen motstander hvis ytelse er akkurat det vi forventer. Hva skjer med motstanden til en ledningsseksjon?
A: Situasjonen er en annen. Antagelig refererer du til en ledning eller et ledende bånd i et kretskort som fungerer som en ledning. Siden superledere ved romtemperatur ennå ikke er tilgjengelige, fungerer hvilken som helst lengde på metalltråd som en motstand med lav motstand (som også fungerer som en kondensator og induktor), og dens effekt på kretsen må vurderes.
2. Spørsmål: Motstanden til en veldig kort kobbertråd i en liten signalkrets må ikke være viktig?
A: la oss vurdere en 16-biters ADC med en inngangsimpedans på 5k ω. Anta at signallinjen til ADC -inngangen består av et typisk kretskort (0.038 mm tykt, 0.25 mm bredt) med et ledende bånd på 10 cm i lengde. Den har en motstand på omtrent 0.18 ω ved romtemperatur, som er litt mindre enn 5K ω × 2 × 2-16 og gir en forsterkningsfeil på 2LSB i full grad.
Uten tvil kan dette problemet dempes hvis det ledende båndet til det SKRIVEDE kretskortet, som det allerede er gjort, blir bredere. I analoge kretser er det generelt å foretrekke å bruke et bredere bånd, men mange PCB -designere (og PCB -designere) foretrekker å bruke en minimum båndbredde for å lette plassering av signallinjer. Avslutningsvis er det viktig å beregne motstanden til det ledende båndet og analysere dets rolle i alle mulige problemer.
3. Spørsmål: Er det et problem med kapasitansen til det ledende båndet med for stor bredde og metallaget på baksiden av det TRYKTE kretskortet?
A: Det er et lite spørsmål. Selv om kapasitans fra det ledende båndet til PRINTED-kretskortet er viktig (selv for lavfrekvente kretser, som kan produsere høyfrekvente parasittiske svingninger), bør det alltid estimeres først. Hvis dette ikke er tilfelle, er ikke et bredt ledende bånd som danner en stor kapasitans et problem. Hvis det oppstår problemer, kan et lite område av grunnplanet fjernes for å redusere kapasitansen til jorden.
Spørsmål: La dette spørsmålet stå et øyeblikk! Hva er jordingsplanet?
A: Hvis kobberfolie på hele siden av et TRYKT kretskort (eller hele mellomlaget til et flerlags kretskort) brukes til jording, så er dette det vi kaller et jordingplan. Enhver jordledning skal arrangeres med minst mulig motstand og induktans. Hvis et system bruker et jordingsplan, er det mindre sannsynlig at det påvirkes av jordingsstøy. I tillegg har jordingsplanet også funksjonen til skjerming og kjøling
Spørsmål: Jordingsplanet som er nevnt her er vanskelig for produsenter, ikke sant?
A: Det var noen problemer for 20 år siden. I dag, på grunn av forbedringen av bindemiddel, loddemotstand og bølgeloddeteknologi i kretskort, har produksjonen av jordingsplan blitt en rutinemessig drift av kretskort.
Spørsmål: Du sa at muligheten for å utsette et system for bakken støy ved å bruke et bakkeplan er veldig liten. Hva gjenstår av grunnstøyproblemet som ikke kan løses?
A: Grunnkretsen til et jordet støysystem har et jordplan, men motstanden og induktansen er ikke null – hvis den eksterne strømkilden er sterk nok, vil den påvirke presise signaler. Dette problemet kan minimeres ved å ordne kretskortene slik at det ikke strømmer høy strøm til områder som påvirker jordingsspenningen til presisjonssignaler. Noen ganger kan et brudd eller en spalte i jordplanet avlede en stor jordingsstrøm fra det følsomme området, men maktendring av jordplanet kan også lede signalet inn i det følsomme området, så en slik teknikk må brukes med forsiktighet.
Spørsmål: Hvordan vet jeg spenningsfallet som genereres på et jordet plan?
A: Spenningsfallet kan vanligvis måles, men noen ganger kan det gjøres beregninger basert på materialets motstand i jordingsplanet (nominelt 1 unse kobber har en motstand på 045m ω /□) og lengden på ledende bånd som strømmen passerer gjennom, selv om beregninger kan være kompliserte. Spenninger i området dc til lavfrekvens (50 kHz) kan måles med instrumenteringsforsterkere som AMP02 eller AD620.
Forsterkerforsterkningen ble satt til 1000 og koblet til et oscilloskop med en følsomhet på 5mV/div. Forsterkeren kan leveres fra samme strømkilde som kretsen som testes, eller fra sin egen strømkilde. Imidlertid, hvis forsterkerens jord er atskilt fra kraftbasen, må oscilloskopet kobles til effektbasen til den brukte kretsen.
Motstanden mellom to punkter på grunnplanet kan måles ved å legge en sonde til de to punktene. Kombinasjonen av forsterkerforsterkning og oscilloskopfølsomhet gjør at målefølsomheten når 5μV/div. Støy fra forsterkeren vil øke bredden på oscilloskopbølgeformkurven med omtrent 3μV, men det er fortsatt mulig å oppnå en oppløsning på ca 1μV – nok til å skille mest bakken støy med opptil 80% tillit.
Spørsmål: Hva bør bemerkes om testmetoden ovenfor?
A: Ethvert vekslende magnetfelt vil indusere en spenning på sondeledningen, som kan testes ved å kortslutte prober til hverandre (og gi en avbøyningsbane til bakkemotstanden) og observere oscilloskopets bølgeform. Den observerte AC -bølgeformen skyldes induksjon og kan minimeres ved å endre posisjonen til ledningen eller ved å prøve å eliminere magnetfeltet. I tillegg er det nødvendig å sikre at forsterkerens jording er koblet til jording av systemet. Hvis forsterkeren har denne tilkoblingen er det ingen avbøyningsreturbane og forsterkeren vil ikke fungere. Jording bør også sikre at jordingsmetoden som brukes ikke forstyrrer strømfordelingen til kretsen som testes.
Spørsmål: Hvordan måler jeg høyfrekvent jordingsstøy?
A: Det er vanskelig å måle hf -bakstøy med en passende bredbåndsinstrumentasjonsforsterker, så passive sonder fra hf og VHF er passende. Den består av en ferrit magnetisk ring (ytre diameter på 6 ~ 8 mm) med to spoler på 6-10 omdreininger hver. For å danne en høyfrekvent isolasjonstransformator er en spole koblet til spektrumanalysatorinngangen og den andre til sonden.
Testmetoden ligner på lavfrekvente tilfeller, men spektrumanalysatoren bruker karakteristikkkurver for amplitude-frekvens for å representere støy. I motsetning til tidsdomenegenskaper, kan støykilder lett skilles ut fra frekvensegenskapene. I tillegg er følsomheten til spektrumanalysatoren minst 60dB høyere enn bredbåndsoscilloskopets.
Spørsmål: Hva med induktansen til en ledning?
A: Induktansen til ledere og PCB -ledende bånd kan ikke ignoreres ved høyere frekvenser. For å beregne induktansen til en rett ledning og et ledende bånd, introduseres to tilnærminger her.
For eksempel vil et ledende bånd 1 cm langt og 0.25 mm bredt danne en induktans på 10nH.
Lederinduktans = 0.0002LLN2LR-0.75 μH
For eksempel er induktansen til en 1 cm lang 0.5 mm ytterdiametertråd 7.26 nh (2R = 0.5 mm, L = 1 cm)
Ledende bånds induktans = 0.0002LLN2LW+H+0.2235W+HL+0.5μH
For eksempel er induktansen til det 1 cm brede 0.25 mm kretskortets ledende bånd 9.59nh (H = 0.038 mm, W = 0.25 mm, L = 1 cm).
Imidlertid er den induktive reaktansen vanligvis mye mindre enn den parasittiske fluksen og induserte spenningen til den kuttede induktive kretsen. Sløyfeområdet må minimeres fordi den induserte spenningen er proporsjonal med sløyfeområdet. Dette er lett å gjøre når ledninger er tvunnet.
I kretskort bør lednings- og returveiene ligge tett sammen. Små ledningsendringer minimerer ofte påvirkningen, se kilde A koblet til sløyfe B.
Å redusere sløyfeområdet eller øke avstanden mellom koblingsløyfene vil minimere effekten. Sløyfeområdet er vanligvis redusert til et minimum, og avstanden mellom koblingsløyfene er maksimert. Noen ganger kreves magnetisk skjerming, men er dyrt og utsatt for mekanisk svikt, så unngå det.
11. Spørsmål: I spørsmål og svar for applikasjonsingeniører nevnes ofte ikke-ideell oppførsel for integrerte kretser. Det skal være lettere å bruke enkle komponenter som motstander. Forklar nærheten til ideelle komponenter.
A: Jeg vil bare at en motstand skal være en ideell enhet, men den korte sylinderen i spissen av en motstand fungerer akkurat som en ren motstand. Den faktiske motstanden inneholder også den imaginære motstandskomponenten – reaktanskomponenten. De fleste motstander har en liten kapasitans (vanligvis 1 til 3pF) parallelt med motstanden. Selv om noen filmmotstander er skjæringen av spiralformede spor i deres resistive filmer stort sett induktiv, er deres induktive reaktans titalls eller hundrevis av nahen (nH). Selvfølgelig er wiresårmotstander generelt induktive snarere enn kapasitive (i hvert fall ved lave frekvenser). Tross alt er wiresårede motstander laget av spoler, så det er ikke uvanlig at wiresårede motstander har induktanser på flere mikrohm (μH) eller titalls mikrohm, eller til og med såkalte “ikke-induktive” wiresårede motstander (hvor halvparten av spolene er viklet med klokken og den andre halvdelen mot klokken). Slik at induktansen produsert av de to halvdelene av spolen avbryter hverandre) har også 1μH eller mer restinduktans. For høyverdige trådviklede motstander over ca. 10k ω er de gjenværende motstandene stort sett kapasitive enn induktive, og kapasitansen er opptil 10pF, høyere enn for standard tynnfilm eller syntetiske motstander. Denne reaktansen må vurderes nøye ved utforming av høyfrekvente kretser som inneholder motstander.
Spørsmål: Men mange av kretsene du beskriver brukes til presise målinger ved likestrøm eller svært lave frekvenser. Stray induktorer og løse kondensatorer er irrelevante i disse applikasjonene, ikke sant?
A: ja. Fordi transistorer (både diskrete og i integrerte kretser) har svært brede båndbredder, kan det noen ganger oppstå svingninger i hundrevis eller tusenvis av megahertz -bånd når kretsen ender med en induktiv belastning. Forskyvnings- og utbedringshandlingene knyttet til svingninger har dårlige effekter på lavfrekvent nøyaktighet og stabilitet.
Verre er det at svingningene ikke er synlige på et oscilloskop, heller ikke fordi oscilloskopets båndbredde er for lav sammenlignet med båndbredden til høyfrekvente svingninger som måles, eller fordi oscilloskopprobens ladningskapasitet er tilstrekkelig til å stoppe svingningene. Den beste metoden er å bruke et bredbånd (lav frekvens til 15GHz over) spektrumanalysator for å kontrollere systemet for parasittiske svingninger. Denne kontrollen bør utføres når inngangen varierer over hele det dynamiske området, fordi det noen ganger forekommer parasittiske svingninger i et svært smalt område av inngangsbåndet.
Spørsmål: Er det spørsmål om motstander?
A: Motstanden til en motstand er ikke fast, men varierer med temperaturen. Temperaturkoeffisienten (TC) varierer fra noen få PPM /° C (milliontedeler per grad Celsius) til flere tusen PPM /° C. De mest stabile motstandene er trådviklede eller metallfilmmotstander, og de verste er syntetiske karbonfilmmotstander.
Store temperaturkoeffisienter kan noen ganger være nyttige (en +3500ppm/ ° C motstand kan brukes for å kompensere for kT/ Q i kryssdiodens karakteristiske ligning, som tidligere nevnt i Q&AS for Application Engineers). Men generelt kan motstand med temperatur være en feilkilde i presisjonskretser.
Hvis kretsens presisjon avhenger av matchen til to motstander med forskjellige temperaturkoeffisienter, så uansett hvor godt matchet ved den ene temperaturen, vil den ikke matche med den andre. Selv om temperaturkoeffisientene til to motstander stemmer overens, er det ingen garanti for at de vil forbli ved samme temperatur. Selvvarme generert av internt strømforbruk eller ekstern varme som overføres fra en varmekilde i systemet kan forårsake temperaturforskjell, noe som kan resultere i motstand. Selv høy-kvalitets trådviklede eller metallfilmmotstander kan ha temperaturforskjeller på hundrevis (eller til og med tusenvis) PPM / ℃. Den åpenbare løsningen er å bruke to motstander bygget slik at de begge er veldig nær den samme matrisen, slik at systemets nøyaktighet til enhver tid er godt tilpasset. Underlaget kan være silisiumskiver som simulerer presise integrerte kretser, glassskiver eller metallfilmer. Uavhengig av underlaget matcher de to motstandene godt under produksjon, har godt tilpassede temperaturkoeffisienter og har nesten samme temperatur (fordi de er så nære).