Circuit imprimat bord probleme și soluții dificile

Î: După cum sa menționat mai devreme despre rezistențele simple, trebuie să existe unele rezistențe a căror performanță este exact ceea ce ne așteptăm. Ce se întâmplă cu rezistența unei secțiuni de sârmă?
R: Situația este diferită. Probabil vă referiți la un fir sau la o bandă conductivă dintr-o placă de circuite imprimate care acționează ca un fir. Deoarece supraconductorii la temperatura camerei nu sunt încă disponibili, orice lungime a firului metalic acționează ca un rezistor cu rezistență redusă (care acționează și ca condensator și inductor), iar efectul său asupra circuitului trebuie luat în considerare.
2. Î: Rezistența unui fir de cupru foarte scurt într-un circuit de semnal mic nu trebuie să fie importantă?
R: să luăm în considerare un ADC pe 16 biți cu o impedanță de intrare de 5k ω. Să presupunem că linia de semnal către intrarea ADC constă dintr-o placă tipică de circuite imprimate (0.038 mm grosime, 0.25 mm lățime) cu o bandă conductivă de 10 cm lungime. Are o rezistență de aproximativ 0.18 ω la temperatura camerei, care este puțin mai mică de 5K × 2 × 2-16 și produce o eroare de câștig de 2LSB la grad complet.
Probabil, această problemă poate fi atenuată dacă, așa cum este deja, banda conductoare a plăcii de circuite PRINTED este lărgită. În circuitele analogice, este de obicei preferabil să se utilizeze o bandă mai largă, dar mulți designeri de PCB (și designeri de PCB) preferă să utilizeze o lățime minimă de bandă pentru a facilita plasarea liniei de semnal. În concluzie, este important să se calculeze rezistența benzii conductoare și să se analizeze rolul acesteia în toate problemele posibile.
3. Î: Există vreo problemă cu capacitatea benzii conductoare cu lățime prea mare și stratul de metal de pe spatele plăcii de circuite PRINTED?
R: Este o mică întrebare. Deși capacitatea din banda conductivă a plăcii de circuite PRINTED este importantă (chiar și pentru circuitele de joasă frecvență, care pot produce oscilații parazitare de înaltă frecvență), ar trebui întotdeauna estimată mai întâi. Dacă nu este cazul, nici măcar o bandă conductivă largă care formează o capacitate mare nu este o problemă. Dacă apar probleme, o mică zonă a planului de masă poate fi îndepărtată pentru a reduce capacitatea la pământ.
Î: Lăsați această întrebare pentru o clipă! Ce este planul de împământare?
R: Dacă folia de cupru pe întreaga parte a unei plăci de circuite PRINTED (sau întregul strat intermediar al unei plăci de circuite imprimate multistrat) este utilizată pentru împământare, atunci aceasta este ceea ce numim un plan de împământare. Orice fir de împământare trebuie să fie aranjat cu cea mai mică rezistență și inductanță posibilă. Dacă un sistem folosește un plan de împământare, este mai puțin probabil să fie afectat de zgomotul de împământare. În plus, planul de împământare are și funcția de ecranare și răcire
Î: Planul de împământare menționat aici este dificil pentru producători, nu?
A: Au existat unele probleme acum 20 de ani. Astăzi, datorită îmbunătățirii tehnologiei de liant, rezistență la lipire și tehnologiei de lipire a undelor în plăcile de circuite imprimate, fabricarea planului de împământare a devenit o operație de rutină a plăcilor de circuite imprimate.
Î: Ați spus că posibilitatea de a expune un sistem la zgomotul solului folosind un plan de sol este foarte mică. Ce rămâne din problema zgomotului solului care nu poate fi rezolvată?
R: Circuitul de bază al unui sistem de zgomot împământat are un plan de masă, dar rezistența și inductanța acestuia nu sunt zero – dacă sursa de curent extern este suficient de puternică, va afecta semnalele precise. Această problemă poate fi minimizată prin aranjarea corectă a plăcilor de circuite imprimate, astfel încât curentul mare să nu curgă în zone care afectează tensiunea de împământare a semnalelor de precizie. Uneori, o rupere sau o fantă în planul de masă poate devia un curent mare de împământare din zona sensibilă, dar schimbarea forțată a planului de masă poate, de asemenea, să redirecționeze semnalul în zona sensibilă, astfel încât o astfel de tehnică trebuie utilizată cu grijă.
Î: De unde știu căderea de tensiune generată pe un plan împământat?
A: de obicei, căderea de tensiune poate fi măsurată, dar uneori se pot face calcule pe baza rezistenței materialului în planul de împământare (o uncie nominală de cupru are o rezistență de 10m ω / □) și lungimea bandă conductivă prin care trece curentul, deși calculele pot fi complicate. Tensiunile din domeniul de frecvență continuă la frecvență joasă (45kHz) pot fi măsurate cu amplificatoare de instrumente, cum ar fi AMP50 sau AD02.
Câștigul amplificatorului a fost setat la 1000 și conectat la un osciloscop cu o sensibilitate de 5mV / div. Amplificatorul poate fi alimentat de la aceeași sursă de energie ca circuitul testat sau de la propria sursă de alimentare. Cu toate acestea, dacă masa amplificatorului este separată de baza sa de putere, osciloscopul trebuie conectat la baza de putere a circuitului de alimentare utilizat.
Rezistența dintre oricare două puncte de pe planul de masă poate fi măsurată prin adăugarea unei sonde la cele două puncte. Combinația amplificatorului și sensibilitatea osciloscopului permite ca sensibilitatea măsurării să ajungă la 5μV / div. Zgomotul de la amplificator va crește lățimea curbei formei de undă a osciloscopului cu aproximativ 3μV, dar este încă posibil să se obțină o rezoluție de aproximativ 1μV – suficient pentru a distinge majoritatea zgomotului la sol cu ​​până la 80% încredere.
Î: Ce trebuie remarcat despre metoda de testare de mai sus?
R: Orice câmp magnetic alternativ va induce o tensiune pe cablul sondei, care poate fi testată prin scurtcircuitarea sondelor între ele (și furnizarea unei căi de deviere către rezistența la sol) și observarea formei de undă a osciloscopului. Forma de undă CA observată se datorează inducției și poate fi redusă la minimum prin schimbarea poziției cablului sau prin încercarea de a elimina câmpul magnetic. În plus, este necesar să vă asigurați că împământarea amplificatorului este conectată la împământarea sistemului. Dacă amplificatorul are această conexiune, nu există o cale de întoarcere a deviației și amplificatorul nu va funcționa. Împământarea trebuie să se asigure, de asemenea, că metoda de împământare utilizată nu interferează cu distribuția curentului circuitului supus încercării.
Î: Cum se măsoară zgomotul de împământare de înaltă frecvență?
R: Este dificil să măsurați zgomotul la sol cu ​​un amplificator de bandă largă adecvat, astfel încât sondele pasive hf și VHF sunt adecvate. Se compune dintr-un inel magnetic de ferită (diametru exterior de 6 ~ 8mm) cu două bobine de 6 ~ 10 spire fiecare. Pentru a forma un transformator de izolare de înaltă frecvență, o bobină este conectată la intrarea analizorului de spectru și cealaltă la sondă.
Metoda de testare este similară cu cazul frecvenței joase, dar analizorul de spectru folosește curbe caracteristice amplitudine-frecvență pentru a reprezenta zgomotul. Spre deosebire de proprietățile domeniului de timp, sursele de zgomot pot fi ușor distinse pe baza caracteristicilor lor de frecvență. În plus, sensibilitatea analizorului de spectru este cu cel puțin 60 dB mai mare decât cea a osciloscopului în bandă largă.
Î: Cum rămâne cu inductanța unui fir?
A: Inductanța conductoarelor și a benzilor conductoare ale PCB nu poate fi ignorată la frecvențe mai mari. Pentru a calcula inductanța unui fir drept și a unei benzi conductoare, sunt introduse aici două aproximări.
De exemplu, o bandă conductivă de 1 cm lungime și 0.25 mm lățime va forma o inductanță de 10 nH.
Inductanța conductorului = 0.0002LLN2LR-0.75 μH
De exemplu, inductanța unui fir cu diametrul exterior de 1 mm lungime de 0.5 cm este de 7.26 nh (2R = 0.5 mm, L = 1 cm)
Inductanța benzii conductoare = 0.0002LLN2LW + H + 0.2235W + HL + 0.5μH
De exemplu, inductanța benzii conductoare a plăcii de circuite imprimate de 1 cm lățime de 0.25 mm este de 9.59 nh (H = 0.038 mm, W = 0.25 mm, L = 1 cm).
Cu toate acestea, reactanța inductivă este de obicei mult mai mică decât fluxul parazit și tensiunea indusă a circuitului inductiv tăiat. Aria buclei trebuie redusă la minimum deoarece tensiunea indusă este proporțională cu aria buclei. Acest lucru este ușor de făcut atunci când cablajul este în pereche răsucită.
În plăcile de circuite imprimate, căile de plumb și de întoarcere trebuie să fie apropiate. Schimbările mici de cabluri deseori reduc impactul, vezi sursa A cuplată la bucla B.
Reducerea zonei buclei sau creșterea distanței dintre buclele de cuplare va minimiza efectul. Zona buclei este de obicei redusă la minimum, iar distanța dintre buclele de cuplare este maximizată. Ecranarea magnetică este uneori necesară, dar este costisitoare și predispusă la defecțiuni mecanice, așa că evitați-o.
11. Î: În întrebările și răspunsurile pentru inginerii de aplicații, este adesea menționat comportamentul non-ideal al circuitelor integrate. Ar trebui să fie mai ușor să utilizați componente simple, cum ar fi rezistențele. Explicați proximitatea componentelor ideale.
R: Vreau doar ca un rezistor să fie un dispozitiv ideal, dar cilindrul scurt de la capătul unui rezistor acționează exact ca un rezistor pur. Rezistorul propriu-zis conține și componenta imaginară de rezistență – componenta reactanței. Majoritatea rezistențelor au o capacitate mică (de obicei 1 până la 3pF) în paralel cu rezistența lor. Deși unele rezistențe de film, tăierea elicoidală a canelurilor în filmele lor rezistive este în mare parte inductivă, reactanța lor inductivă este de zeci sau sute de nahen (nH). Desigur, rezistențele înfășurate de sârmă sunt, în general, mai degrabă inductive decât capacitive (cel puțin la frecvențe joase). La urma urmei, rezistențele înfășurate în sârmă sunt realizate din bobine, deci nu este neobișnuit ca rezistențele înfășurate în sârmă să aibă inductanțe de mai mulți microhm (μH) sau zeci de microhm, sau chiar așa-numitele rezistențe înfășurate în sârmă „neinductive”. (unde jumătate din bobine sunt înfășurate în sensul acelor de ceasornic și cealaltă jumătate în sens invers acelor de ceasornic). Astfel, inductanța produsă de cele două jumătăți ale bobinei se anulează reciproc) are, de asemenea, 1μH sau mai mult de inductanță reziduală. Pentru rezistențele cu bobină de sârmă de peste 10k ω, rezistențele rămase sunt mai degrabă capacitive decât inductive, iar capacitatea este de până la 10pF, mai mare decât cea a rezistențelor standard cu film subțire sau sintetice. Această reactanță trebuie luată în considerare cu atenție atunci când se proiectează circuite de înaltă frecvență care conțin rezistențe.
Î: Dar multe dintre circuitele pe care le descrieți sunt utilizate pentru măsurători precise la frecvențe continue sau foarte joase. Inductoarele rătăcite și condensatoarele rătăcite sunt irelevante în aceste aplicații, nu?
R: da. Deoarece tranzistoarele (atât discrete, cât și în cadrul circuitelor integrate) au lățimi de bandă foarte largi, uneori pot apărea oscilații în sutele sau mii de benzi de megahertz atunci când circuitul se termină cu o sarcină inductivă. Acțiunile de compensare și rectificare asociate cu oscilațiile au efecte negative asupra preciziei și stabilității frecvenței joase.
Mai rău, este posibil ca oscilațiile să nu fie vizibile pe un osciloscop, fie pentru că lățimea de bandă a osciloscopului este prea mică în comparație cu lățimea de bandă a oscilațiilor de înaltă frecvență care sunt măsurate, fie pentru că capacitatea de încărcare a sondei osciloscopului este suficientă pentru a opri oscilațiile. Cea mai bună metodă este de a utiliza un analizor de spectru de bandă largă (frecvență joasă la 15 GHz mai sus) pentru a verifica sistemul pentru oscilații parazite. Această verificare trebuie făcută atunci când intrarea variază pe întregul interval dinamic, deoarece uneori oscilațiile parazite apar într-un interval foarte îngust al benzii de intrare.
Î: Există întrebări despre rezistoare?
R: Rezistența unui rezistor nu este fixă, dar variază în funcție de temperatură. Coeficientul de temperatură (TC) variază de la câteva PPM / ° C (milionimi pe grad Celsius) la câteva mii de PPM / ° C. Cele mai stabile rezistențe sunt rezistențele înfășurate cu sârmă sau filmele metalice, iar cele mai rele sunt rezistențele sintetice cu film de carbon.
Coeficienții mari de temperatură pot fi uneori utili (un rezistor de + 3500ppm / ° C poate fi folosit pentru a compensa kT / Q în ecuația caracteristică a diodei de joncțiune, așa cum s-a menționat anterior în Q&AS pentru ingineri de aplicații). Dar, în general, rezistența la temperatură poate fi o sursă de eroare în circuitele de precizie.
Dacă precizia circuitului depinde de potrivirea a două rezistențe cu coeficienți de temperatură diferiți, atunci indiferent cât de bine se potrivește la o temperatură, nu se va potrivi la cealaltă. Chiar dacă coeficienții de temperatură ai două rezistențe se potrivesc, nu există nicio garanție că vor rămâne la aceeași temperatură. Auto-căldura generată de consumul intern de energie sau căldura externă transmisă de la o sursă de căldură din sistem poate provoca nepotriviri de temperatură, rezultând rezistență. Chiar și rezistențele de înaltă calitate înfășurate cu sârmă sau din metal pot avea nepotriviri de temperatură de sute (sau chiar mii) PPM / ℃. Soluția evidentă este de a utiliza două rezistențe construite astfel încât să fie ambele foarte aproape de aceeași matrice, astfel încât precizia sistemului să fie potrivită în orice moment. Substratul poate fi napolitane din siliciu care simulează circuite integrate precise, napolitane din sticlă sau filme metalice. Indiferent de substrat, cele două rezistențe se potrivesc bine în timpul fabricației, au coeficienți de temperatură bine asortați și sunt aproape la aceeași temperatură (deoarece sunt atât de apropiați).