Płytka drukowana trudne problemy i rozwiązania

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?
O: Sytuacja jest inna. Przypuszczalnie masz na myśli drut lub przewodzącą taśmę na płytce drukowanej, która działa jak drut. Ponieważ nadprzewodniki w temperaturze pokojowej nie są jeszcze dostępne, każda długość drutu metalowego działa jak rezystor o niskiej rezystancji (który działa również jako kondensator i cewka indukcyjna) i należy wziąć pod uwagę jego wpływ na obwód.
2. P: Rezystancja bardzo krótkiego drutu miedzianego w małym obwodzie sygnałowym nie może być ważna?
A: rozważmy 16-bitowy ADC o impedancji wejściowej 5k ω. Załóżmy, że linia sygnałowa do wejścia ADC składa się z typowej płytki drukowanej (grubość 0.038 mm, szerokość 0.25 mm) z paskiem przewodzącym o długości 10 cm. Ma rezystancję około 0.18 ω w temperaturze pokojowej, która jest nieco mniejsza niż 5 K ω ×2×2-16 i daje błąd wzmocnienia 2LSB przy pełnym stopniu.
Prawdopodobnie ten problem można złagodzić, jeśli, jak już jest, przewodzące pasmo płytki drukowanej zostanie poszerzone. W obwodach analogowych generalnie preferowane jest użycie szerszego pasma, ale wielu projektantów PCB (i projektantów PCB) woli używać minimalnej szerokości pasma, aby ułatwić umieszczenie linii sygnałowej. Podsumowując, ważne jest obliczenie rezystancji pasma przewodzącego i przeanalizowanie jego roli we wszystkich możliwych problemach.
3. Q: Is there a problem with the capacitance of the conductive band with too large width and the metal layer on the back of the PRINTED circuit board?
O: To małe pytanie. Chociaż pojemność z pasma przewodzącego płytki drukowanej jest ważna (nawet dla obwodów o niskiej częstotliwości, które mogą wytwarzać pasożytnicze oscylacje o wysokiej częstotliwości), zawsze należy ją najpierw oszacować. Jeśli tak nie jest, nawet szerokie pasmo przewodzące tworzące dużą pojemność nie stanowi problemu. Jeśli pojawią się problemy, niewielki obszar płaszczyzny uziemienia można usunąć, aby zmniejszyć pojemność do ziemi.
P: Zostaw to pytanie na chwilę! Jaka jest płaszczyzna uziemiająca?
O: Jeśli do uziemienia używana jest folia miedziana na całej stronie płytki drukowanej (lub na całej warstwie pośredniej wielowarstwowej płytki drukowanej), to nazywamy to płaszczyzną uziemiającą. Każdy przewód uziemiający powinien być ułożony z jak najmniejszą rezystancją i indukcyjnością. Jeśli system wykorzystuje płaszczyznę uziemiającą, jest mniej prawdopodobne, że będzie narażony na hałas uziemienia. Ponadto płaszczyzna uziemiająca pełni również funkcję ekranowania i chłodzenia
P: Wspomniana tutaj płaszczyzna uziemiająca jest trudna dla producentów, prawda?
O: Były pewne problemy 20 lat temu. Obecnie, ze względu na udoskonalenie spoiwa, rezystancji lutu i technologii lutowania na fali w obwodach drukowanych, wytwarzanie płaszczyzny uziemiającej stało się rutynową operacją płytek obwodów drukowanych.
P: Powiedziałeś, że możliwość narażenia systemu na hałas uziemienia za pomocą płaszczyzny uziemienia jest bardzo mała. Co pozostało z problemu hałasu gruntu, którego nie można rozwiązać?
Odp.: Podstawowy obwód uziemionego systemu szumów ma płaszczyznę uziemienia, ale jego rezystancja i indukcyjność nie są zerowe – jeśli zewnętrzne źródło prądu jest wystarczająco silne, wpłynie to na precyzyjne sygnały. Problem ten można zminimalizować poprzez odpowiednie rozmieszczenie płytek drukowanych tak, aby duży prąd nie płynął do obszarów, które mają wpływ na napięcie uziemienia sygnałów precyzyjnych. Czasami przerwa lub szczelina w płaszczyźnie uziemienia może skierować duży prąd uziemiający z wrażliwego obszaru, ale przymusowa zmiana płaszczyzny uziemienia może również skierować sygnał do wrażliwego obszaru, dlatego taka technika musi być stosowana ostrożnie.
P: Skąd mam wiedzieć, jaki spadek napięcia jest generowany na uziemionym samolocie?
A: zwykle można zmierzyć spadek napięcia, ale czasami można wykonać obliczenia na podstawie rezystancji materiału w płaszczyźnie uziemienia (nominalna 1 uncja miedzi ma rezystancję 045mω /□) i długości pasmo przewodzące, przez które przepływa prąd, chociaż obliczenia mogą być skomplikowane. Napięcia w zakresie od prądu stałego do niskiej częstotliwości (50 kHz) można mierzyć za pomocą wzmacniaczy pomiarowych, takich jak AMP02 lub AD620.
The amplifier gain was set at 1000 and connected to an oscilloscope with a sensitivity of 5mV/div. The amplifier may be supplied from the same power source as the circuit under test, or from its own power source. However, if the amplifier ground is separated from its power base, the oscilloscope must be connected to the power base of the power circuit used.
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.
Q: What should be noted about the above test method?
Odp.: Jakiekolwiek zmienne pole magnetyczne indukuje napięcie na przewodzie sondy, które można przetestować, zwierając sondy ze sobą (i zapewniając ścieżkę odchylania rezystancji uziemienia) i obserwując przebieg oscyloskopu. Obserwowany przebieg prądu przemiennego wynika z indukcji i można go zminimalizować, zmieniając położenie elektrody lub próbując wyeliminować pole magnetyczne. Ponadto należy upewnić się, że uziemienie wzmacniacza jest połączone z uziemieniem systemu. Jeśli wzmacniacz ma takie połączenie to nie ma ścieżki powrotnej odchylania i wzmacniacz nie będzie działał. Uziemienie powinno również gwarantować, że zastosowana metoda uziemienia nie zakłóca dystrybucji prądu w badanym obwodzie.
P: Jak zmierzyć hałas uziemienia o wysokiej częstotliwości?
A: It is difficult to measure hf ground noise with a suitable wideband instrumentation amplifier, so hf and VHF passive probes are appropriate. It consists of a ferrite magnetic ring (outer diameter of 6 ~ 8mm) with two coils of 6 ~ 10 turns each. To form a high-frequency isolation transformer, one coil is connected to the spectrum analyzer input and the other to the probe.
Metoda testowa jest podobna do przypadku niskich częstotliwości, ale analizator widma wykorzystuje krzywe charakterystyki amplituda-częstotliwość do reprezentowania szumu. W przeciwieństwie do właściwości w dziedzinie czasu, źródła szumu można łatwo rozróżnić na podstawie ich charakterystyk częstotliwościowych. Ponadto czułość analizatora widma jest o co najmniej 60dB wyższa niż oscyloskopu szerokopasmowego.
P: A co z indukcyjnością drutu?
A: Indukcyjność przewodników i pasm przewodzących PCB nie może być ignorowana przy wyższych częstotliwościach. Aby obliczyć indukcyjność prostego drutu i pasma przewodzącego, wprowadzono tutaj dwa przybliżenia.
Na przykład pasmo przewodzące o długości 1 cm i szerokości 0.25 mm utworzy indukcyjność 10 nH.
Conductor inductance = 0.0002LLN2LR-0.75 μH
Na przykład indukcyjność drutu o średnicy zewnętrznej 1 cm o średnicy 0.5 mm wynosi 7.26 nh (2R = 0.5 mm, L = 1 cm)
Conductive band inductance = 0.0002LLN2LW +H+0.2235W+HL+0.5μH
Na przykład indukcyjność pasma przewodzącego płytki drukowanej o szerokości 1 cm 0.25 mm wynosi 9.59 nm (wys. = 0.038 mm, szer. = 0.25 mm, dł. = 1 cm).
Jednak reaktancja indukcyjna jest zwykle znacznie mniejsza niż strumień pasożytniczy i indukowane napięcie przerywanego obwodu indukcyjnego. Obszar pętli musi być zminimalizowany, ponieważ indukowane napięcie jest proporcjonalne do obszaru pętli. Jest to łatwe, gdy okablowanie jest skrętką.
W płytkach drukowanych ścieżki doprowadzenia i powrotu powinny znajdować się blisko siebie. Małe zmiany w okablowaniu często minimalizują wpływ, patrz źródło A połączone z pętlą niskoenergetyczną B.
Reducing the loop area or increasing the distance between the coupling loops will minimize the effect. The loop area is usually reduced to a minimum and the distance between the coupling loops is maximized. Magnetic shielding is sometimes required, but is expensive and prone to mechanical failure, so avoid it.
11. P: W Q&A dla inżynierów aplikacji często wspomina się o nieidealnym zachowaniu układów scalonych. Powinno być łatwiej używać prostych elementów, takich jak rezystory. Wyjaśnij bliskość idealnych komponentów.
Odp.: Chcę, żeby rezystor był idealnym urządzeniem, ale krótki cylinder na wyprowadzeniu rezystora zachowuje się dokładnie tak, jak czysty rezystor. Rzeczywisty rezystor zawiera również wyimaginowany składnik rezystancyjny — składnik reaktancyjny. Większość rezystorów ma małą pojemność (zwykle od 1 do 3 pF) równolegle do ich rezystancji. Chociaż niektóre rezystory filmowe, spiralne cięcie rowków w ich filmach rezystancyjnych jest w większości indukcyjne, ich reaktancja indukcyjna wynosi dziesiątki lub setki nahen (nH). Oczywiście rezystancje uzwojenia drutu są na ogół indukcyjne, a nie pojemnościowe (przynajmniej przy niskich częstotliwościach). W końcu rezystory drutowe są zbudowane z cewek, więc nierzadko zdarza się, że rezystory drutowe mają indukcyjności rzędu kilku mikrohm (μH) lub dziesiątek mikrohm, a nawet tak zwane „bezindukcyjne” rezystory drutowe (gdzie połowa cewek jest nawinięta zgodnie z ruchem wskazówek zegara, a druga połowa przeciwnie do ruchu wskazówek zegara). Tak więc indukcyjność wytworzona przez dwie połówki cewki znosi się nawzajem) ma również 1 μH lub więcej indukcyjności resztkowej. W przypadku rezystorów drutowych o wysokiej wartości powyżej około 10 kΩ, pozostałe rezystory są w większości pojemnościowe, a nie indukcyjne, a pojemność jest do 10 pF, wyższa niż w przypadku standardowych rezystorów cienkowarstwowych lub syntetycznych. Ta reaktancja musi być dokładnie uwzględniona podczas projektowania obwodów wysokiej częstotliwości zawierających rezystory.
P: Ale wiele z opisanych przez ciebie obwodów jest używanych do precyzyjnych pomiarów przy DC lub bardzo niskich częstotliwościach. Zabłąkane cewki indukcyjne i zabłąkane kondensatory nie mają znaczenia w tych zastosowaniach, prawda?
O: tak. Ponieważ tranzystory (zarówno dyskretne, jak i w układach scalonych) mają bardzo szerokie szerokości pasma, oscylacje mogą czasami wystąpić w setkach lub tysiącach pasm megahercowych, gdy obwód kończy się obciążeniem indukcyjnym. Czynności przesunięcia i prostowania związane z oscylacjami mają zły wpływ na dokładność i stabilność niskich częstotliwości.
Co gorsza, oscylacje mogą nie być widoczne na oscyloskopie, albo dlatego, że szerokość pasma oscyloskopu jest zbyt mała w porównaniu z szerokością mierzonych oscylacji wysokiej częstotliwości, albo dlatego, że pojemność ładunku sondy oscyloskopu jest wystarczająca, aby zatrzymać oscylacje. Najlepszą metodą jest użycie szerokopasmowego analizatora widma (niskie częstotliwości do 15GHz powyżej) w celu sprawdzenia systemu pod kątem oscylacji pasożytniczych. To sprawdzenie powinno być wykonane, gdy wejście zmienia się w całym zakresie dynamicznym, ponieważ pasożytnicze oscylacje czasami występują w bardzo wąskim zakresie pasma wejściowego.
P: Czy są jakieś pytania dotyczące rezystorów?
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.
Czasami przydatne mogą być duże współczynniki temperaturowe (rezystor +3500ppm/°C może być użyty do kompensacji kT/Q w równaniu charakterystyki diody złącza, jak wspomniano wcześniej w Q&AS dla inżynierów aplikacji). Ale ogólnie rezystancja z temperaturą może być źródłem błędów w precyzyjnych obwodach.
Jeśli precyzja obwodu zależy od dopasowania dwóch rezystorów o różnych współczynnikach temperaturowych, to bez względu na to, jak dobrze dopasowane w jednej temperaturze, nie będą pasować w drugiej. Nawet jeśli współczynniki temperaturowe dwóch rezystorów są takie same, nie ma gwarancji, że pozostaną one w tej samej temperaturze. Ciepło własne generowane przez wewnętrzny pobór mocy lub ciepło zewnętrzne przekazywane ze źródła ciepła w systemie może powodować niedopasowanie temperatury, co skutkuje rezystancją. Nawet wysokiej jakości rezystory drutowe lub metalowo-foliowe mogą mieć niedopasowania temperaturowe rzędu setek (a nawet tysięcy) PPM/℃. Oczywistym rozwiązaniem jest zastosowanie dwóch rezystorów zbudowanych tak, aby oba były bardzo zbliżone do tej samej matrycy, dzięki czemu dokładność systemu jest zawsze dobrze dopasowana. Podłożem mogą być płytki krzemowe symulujące precyzyjne układy scalone, płytki szklane lub folie metalowe. Niezależnie od podłoża, dwa rezystory dobrze do siebie pasują podczas produkcji, mają dobrze dopasowane współczynniki temperaturowe i mają prawie taką samą temperaturę (ponieważ są tak blisko siebie).