Placa de circuito impresso problemas e soluções difíceis

P: Como mencionado anteriormente sobre resistores simples, deve haver alguns resistores cujo desempenho é exatamente o que esperamos. O que acontece com a resistência de uma seção de fio?
R: A situação é diferente. Presumivelmente, você está se referindo a um fio ou banda condutiva em uma placa de circuito impresso que atua como um fio. Como os supercondutores em temperatura ambiente ainda não estão disponíveis, qualquer comprimento de fio de metal atua como um resistor de baixa resistência (que também atua como um capacitor e indutor), e seu efeito no circuito deve ser considerado.
2. P: A resistência de um fio de cobre muito curto em um pequeno circuito de sinal não deve ser importante?
R: vamos considerar um ADC de 16 bits com uma impedância de entrada de 5k ω. Suponha que a linha de sinal para a entrada do ADC consiste em uma placa de circuito impresso típica (0.038 mm de espessura, 0.25 mm de largura) com uma banda condutiva de 10 cm de comprimento. Ele tem uma resistência de cerca de 0.18 ω à temperatura ambiente, que é um pouco menor que 5K ω × 2 × 2-16 e produz um erro de ganho de 2LSB em grau total.
Indiscutivelmente, este problema pode ser atenuado se, como já está, a faixa condutiva da placa de circuito IMPRESSO for alargada. Em circuitos analógicos, geralmente é preferível usar uma banda mais larga, mas muitos designers de PCB (e designers de PCB) preferem usar uma largura de banda mínima para facilitar o posicionamento da linha de sinal. Em conclusão, é importante calcular a resistência da banda condutiva e analisar seu papel em todos os problemas possíveis.
3. P: Há um problema com a capacitância da banda condutiva com largura muito grande e a camada de metal na parte traseira da placa de circuito IMPRESSO?
R: É uma pequena questão. Embora a capacitância da banda condutiva da placa de circuito IMPRESSO seja importante (mesmo para circuitos de baixa frequência, que podem produzir oscilações parasitas de alta frequência), ela sempre deve ser estimada primeiro. Se este não for o caso, mesmo uma ampla faixa condutiva formando uma grande capacitância não é um problema. Se surgirem problemas, uma pequena área do plano de aterramento pode ser removida para reduzir a capacitância à terra.
P: Deixe esta pergunta por um momento! Qual é o plano de aterramento?
R: Se a folha de cobre em todo o lado de uma placa de circuito IMPRESSO (ou toda a intercamada de uma placa de circuito impresso multicamada) for usada para aterramento, então isso é o que chamamos de plano de aterramento. Qualquer fio terra deve ser disposto com a menor resistência e indutância possível. Se um sistema usa um plano de aterramento, é menos provável que seja afetado por ruído de aterramento. Além disso, o plano de aterramento também tem a função de blindagem e resfriamento
P: O plano de aterramento mencionado aqui é difícil para os fabricantes, certo?
R: Houve alguns problemas há 20 anos. Hoje, devido ao aprimoramento da tecnologia de aglutinante, resistência de solda e soldagem por onda em placas de circuito impresso, a fabricação de plano de aterramento se tornou uma operação rotineira de placas de circuito impresso.
P: Você disse que a possibilidade de expor um sistema ao ruído de solo usando um plano de solo é muito pequena. O que resta do problema de ruído de solo que não pode ser resolvido?
R: O circuito básico de um sistema de ruído aterrado tem um plano de aterramento, mas sua resistência e indutância não são zero – se a fonte de corrente externa for forte o suficiente, ela afetará os sinais precisos. Esse problema pode ser minimizado organizando-se adequadamente as placas de circuito impresso de modo que a alta corrente não flua para áreas que afetam a tensão de aterramento dos sinais de precisão. Às vezes, uma quebra ou fenda no plano de aterramento pode desviar uma grande corrente de aterramento da área sensível, mas mudar o plano de aterramento à força também pode desviar o sinal para a área sensível, portanto, essa técnica deve ser usada com cuidado.
P: Como posso saber a queda de tensão gerada em um plano aterrado?
R: geralmente a queda de tensão pode ser medida, mas às vezes os cálculos podem ser feitos com base na resistência do material no plano de aterramento (uma onça nominal de cobre tem uma resistência de 10m ω / □) e o comprimento do faixa condutiva pela qual a corrente passa, embora os cálculos possam ser complicados. As tensões na faixa de frequência CC a baixa (45kHz) podem ser medidas com amplificadores de instrumentação como AMP50 ou AD02.
O ganho do amplificador foi definido em 1000 e conectado a um osciloscópio com uma sensibilidade de 5mV / div. O amplificador pode ser fornecido com a mesma fonte de alimentação do circuito em teste ou com sua própria fonte de alimentação. No entanto, se o aterramento do amplificador estiver separado de sua base de potência, o osciloscópio deve ser conectado à base de potência do circuito de potência usado.
A resistência entre quaisquer dois pontos no plano de aterramento pode ser medida adicionando-se uma ponta de prova aos dois pontos. A combinação de ganho do amplificador e sensibilidade do osciloscópio permite que a sensibilidade da medição alcance 5μV / div. O ruído do amplificador aumentará a largura da curva da forma de onda do osciloscópio em cerca de 3μV, mas ainda é possível atingir uma resolução de cerca de 1μV – o suficiente para distinguir a maioria dos ruídos de terra com até 80% de confiança.
P: O que deve ser observado sobre o método de teste acima?
R: Qualquer campo magnético alternado induzirá uma tensão no cabo da ponta de prova, que pode ser testada colocando as pontas de prova em curto-circuito (e fornecendo um caminho de deflexão para a resistência de aterramento) e observando a forma de onda do osciloscópio. A forma de onda CA observada é devida à indução e pode ser minimizada mudando a posição do eletrodo ou tentando eliminar o campo magnético. Além disso, é necessário garantir que o aterramento do amplificador esteja conectado ao aterramento do sistema. Se o amplificador tiver essa conexão, não haverá caminho de retorno de deflexão e o amplificador não funcionará. O aterramento também deve garantir que o método de aterramento usado não interfira com a distribuição de corrente do circuito em teste.
P: Como medir o ruído de aterramento de alta frequência?
R: É difícil medir o ruído de solo hf com um amplificador de instrumentação de banda larga adequado, então as pontas de prova passivas hf e VHF são apropriadas. Consiste em um anel magnético de ferrite (diâmetro externo de 6 ~ 8 mm) com duas bobinas de 6 ~ 10 voltas cada. Para formar um transformador de isolamento de alta frequência, uma bobina é conectada à entrada do analisador de espectro e a outra à ponta de prova.
O método de teste é semelhante ao caso de baixa frequência, mas o analisador de espectro usa curvas características de amplitude-frequência para representar o ruído. Ao contrário das propriedades do domínio do tempo, as fontes de ruído podem ser facilmente distinguidas com base em suas características de frequência. Além disso, a sensibilidade do analisador de espectro é pelo menos 60dB mais alta do que a do osciloscópio de banda larga.
P: E quanto à indutância de um fio?
R: A indutância de condutores e bandas condutoras de PCB não pode ser ignorada em frequências mais altas. Para calcular a indutância de um fio reto e de uma banda condutiva, duas aproximações são apresentadas aqui.
Por exemplo, uma banda condutiva de 1 cm de comprimento e 0.25 mm de largura formará uma indutância de 10 nH.
Indutância do condutor = 0.0002LLN2LR-0.75 μH
Por exemplo, a indutância de um fio de diâmetro externo de 1 mm de 0.5 cm de comprimento é 7.26 nh (2R = 0.5 mm, L = 1 cm)
Indutância de banda condutiva = 0.0002LLN2LW + H + 0.2235W + HL + 0.5μH
Por exemplo, a indutância da banda condutora da placa de circuito impresso de 1 mm de largura é 0.25 nh (H = 9.59 mm, W = 0.038 mm, L = 0.25 cm).
No entanto, a reatância indutiva é geralmente muito menor do que o fluxo parasita e a tensão induzida do circuito indutivo de corte. A área do loop deve ser minimizada porque a tensão induzida é proporcional à área do loop. Isso é fácil de fazer quando a fiação é de par trançado.
Em placas de circuito impresso, os caminhos de chumbo e de retorno devem estar próximos. Pequenas mudanças na fiação muitas vezes minimizam o impacto, consulte a fonte A acoplada ao circuito de baixa energia B.
Reduzir a área do loop ou aumentar a distância entre os loops de acoplamento minimizará o efeito. A área do laço é geralmente reduzida ao mínimo e a distância entre os laços de acoplamento é maximizada. A blindagem magnética às vezes é necessária, mas é cara e sujeita a falhas mecânicas, portanto, evite-a.
11. P: Em perguntas e respostas para engenheiros de aplicação, o comportamento não ideal de circuitos integrados é freqüentemente mencionado. Deve ser mais fácil usar componentes simples, como resistores. Explique a proximidade de componentes ideais.
R: Eu só quero que um resistor seja um dispositivo ideal, mas o cilindro curto na ponta de um resistor age exatamente como um resistor puro. O resistor real também contém o componente de resistência imaginário – o componente de reatância. A maioria dos resistores tem uma pequena capacitância (normalmente 1 a 3pF) em paralelo com sua resistência. Embora alguns resistores de filme, o corte de ranhura helicoidal em seus filmes resistivos seja principalmente indutivo, sua reatância indutiva é de dezenas ou centenas de nahen (nH). Claro, as resistências do fio enrolado são geralmente indutivas, em vez de capacitivas (pelo menos em baixas frequências). Afinal, resistores enrolados em fio são feitos de bobinas, então não é incomum que resistores enrolados em fio tenham indutâncias de vários microhm (μH) ou dezenas de microhm, ou mesmo os chamados resistores enrolados em fio “não indutivos” (onde metade das bobinas são enroladas no sentido horário e a outra metade no sentido anti-horário). Para que a indutância produzida pelas duas metades da bobina se anule) também tem 1μH ou mais de indutância residual. Para resistores de fio enrolado de alto valor acima de aproximadamente 10k ω, os resistores restantes são principalmente capacitivos em vez de indutivos, e a capacitância é de até 10pF, maior do que a de resistores sintéticos ou de filme fino padrão. Essa reatância deve ser considerada cuidadosamente ao projetar circuitos de alta frequência contendo resistores.
P: Mas muitos dos circuitos que você descreve são usados ​​para medições precisas em CC ou frequências muito baixas. Indutores parasitas e capacitores parasitas são irrelevantes nessas aplicações, certo?
R: sim. Como os transistores (tanto discretos quanto dentro de circuitos integrados) têm larguras de banda muito largas, as oscilações podem às vezes ocorrer na casa das centenas ou milhares de bandas de megahertz quando o circuito termina com uma carga indutiva. As ações de compensação e retificação associadas às oscilações têm efeitos negativos na precisão e estabilidade de baixa frequência.
Pior, as oscilações podem não ser visíveis em um osciloscópio porque a largura de banda do osciloscópio é muito baixa em comparação com a largura de banda das oscilações de alta frequência sendo medidas ou porque a capacidade de carga da ponta de prova do osciloscópio é suficiente para parar as oscilações. O melhor método é usar um analisador de espectro de banda larga (baixa frequência a 15 GHz acima) para verificar se há oscilações parasitas no sistema. Essa verificação deve ser feita quando a entrada varia ao longo de toda a faixa dinâmica, porque as oscilações parasitas às vezes ocorrem em uma faixa muito estreita da banda de entrada.
P: Há alguma dúvida sobre resistores?
R: A resistência de um resistor não é fixa, mas varia com a temperatura. O coeficiente de temperatura (TC) varia de alguns PPM / ° C (milionésimos por grau Celsius) a vários milhares de PPM / ° C. Os resistores mais estáveis ​​são resistores de fio enrolado ou de filme de metal e os piores são resistores de filme de carbono sintético.
Grandes coeficientes de temperatura às vezes podem ser úteis (um resistor de + 3500ppm / ° C pode ser usado para compensar kT / Q na equação característica do diodo de junção, conforme mencionado anteriormente em Perguntas e Respostas para Engenheiros de Aplicação). Mas, em geral, a resistência com a temperatura pode ser uma fonte de erro em circuitos de precisão.
Se a precisão do circuito depende da combinação de dois resistores com coeficientes de temperatura diferentes, então não importa o quão bem combinada em uma temperatura, ela não combinará na outra. Mesmo que os coeficientes de temperatura de dois resistores correspondam, não há garantia de que eles permanecerão na mesma temperatura. O autoaquecimento gerado pelo consumo interno de energia ou calor externo transmitido de uma fonte de calor no sistema pode causar incompatibilidades de temperatura, resultando em resistência. Mesmo resistores de fio enrolado ou de filme de metal de alta qualidade podem ter incompatibilidades de temperatura de centenas (ou mesmo milhares) PPM / ℃. A solução óbvia é usar dois resistores construídos de forma que ambos fiquem muito próximos da mesma matriz, de modo que a precisão do sistema seja compatível o tempo todo. O substrato pode ser wafers de silício que simulam circuitos integrados precisos, wafers de vidro ou filmes de metal. Independentemente do substrato, os dois resistores combinam bem durante a fabricação, têm coeficientes de temperatura bem combinados e estão quase à mesma temperatura (porque estão muito próximos).