Печатная плата сложные проблемы и решения

В: Как упоминалось ранее о простых резисторах, должны быть резисторы, характеристики которых соответствуют нашим ожиданиям. Что происходит с сопротивлением отрезка провода?
О: Ситуация иная. Предположительно, вы имеете в виду провод или токопроводящую ленту на печатной плате, которая действует как провод. Поскольку сверхпроводники, работающие при комнатной температуре, еще недоступны, металлический провод любой длины действует как резистор с низким сопротивлением (который также действует как конденсатор и индуктор), и его влияние на схему необходимо учитывать.
2. В: Сопротивление очень короткого медного провода в цепи слабого сигнала не должно иметь значения?
A: давайте рассмотрим 16-битный АЦП с входным сопротивлением 5 кОм. Предположим, что сигнальная линия ко входу АЦП состоит из типичной печатной платы (толщиной 0.038 мм, шириной 0.25 мм) с проводящей полосой длиной 10 см. Он имеет сопротивление около 0.18 Ом при комнатной температуре, что немного меньше 5 кОм Ом × 2 × 2-16 и дает ошибку усиления 2LSB в полной степени.
Возможно, эта проблема может быть уменьшена, если, как это уже происходит, проводящая полоса ПЕЧАТНОЙ печатной платы будет шире. В аналоговых схемах обычно предпочтительнее использовать более широкую полосу, но многие разработчики печатных плат (и конструкторы печатных плат) предпочитают использовать минимальную ширину полосы для облегчения размещения сигнальных линий. В заключение важно рассчитать сопротивление проводящей зоны и проанализировать его роль во всех возможных проблемах.
3. В: Есть ли проблема с емкостью проводящей полосы слишком большой ширины и металлическим слоем на обратной стороне ПЕЧАТНОЙ печатной платы?
О: Это небольшой вопрос. Хотя емкость проводящей полосы ПЕЧАТНОЙ печатной платы важна (даже для низкочастотных цепей, которые могут вызывать высокочастотные паразитные колебания), ее всегда следует оценивать в первую очередь. Если это не так, даже широкая проводящая полоса, образующая большую емкость, не является проблемой. В случае возникновения проблем можно удалить небольшую часть заземляющего слоя, чтобы уменьшить емкость относительно земли.
В: Оставьте этот вопрос на мгновение! Что такое заземляющая плоскость?
A: Если медная фольга на всей стороне ПЕЧАТНОЙ печатной платы (или всей прослойке многослойной печатной платы) используется для заземления, то это то, что мы называем заземляющей плоскостью. Любой заземляющий провод должен иметь минимально возможное сопротивление и индуктивность. Если в системе используется плоскость заземления, на нее с меньшей вероятностью повлияет шум заземления. Кроме того, плоскость заземления также выполняет функцию экранирования и охлаждения.
В: Упомянутая здесь заземляющая пластина сложна для производителей, не так ли?
О: 20 лет назад были проблемы. Сегодня, благодаря усовершенствованию технологии связки, сопротивления пайки и пайки волной пайки в печатных платах, изготовление заземляющей пластины стало рутинной операцией на печатных платах.
В: Вы сказали, что вероятность воздействия на систему шума заземления при использовании заземляющего слоя очень мала. Что остается от проблемы шума грунта, которую нельзя решить?
О: Базовая схема заземленной шумовой системы имеет заземляющую пластину, но ее сопротивление и индуктивность не равны нулю – если внешний источник тока достаточно силен, он повлияет на точные сигналы. Эту проблему можно свести к минимуму, правильно расположив печатные платы так, чтобы сильный ток не протекал в области, которые влияют на напряжение заземления прецизионных сигналов. Иногда разрыв или щель в заземляющем слое могут отвести большой ток заземления из чувствительной области, но принудительное изменение заземляющего слоя также может направить сигнал в чувствительную зону, поэтому такой метод следует использовать с осторожностью.
В: Как узнать падение напряжения на заземленной поверхности?
A: обычно падение напряжения можно измерить, но иногда вычисления могут быть выполнены на основе сопротивления материала в плоскости заземления (номинальная 1 унция меди имеет сопротивление 0–45 м Ом / □) и длины кабеля. проводящая зона, через которую проходит ток, хотя расчеты могут быть сложными. Напряжения в диапазоне от постоянного до низких частот (50 кГц) можно измерять с помощью инструментальных усилителей, таких как AMP02 или AD620.
Коэффициент усиления усилителя был установлен на 1000 и подключен к осциллографу с чувствительностью 5 мВ / дел. Усилитель может питаться от того же источника питания, что и тестируемая схема, или от собственного источника питания. Однако, если заземление усилителя отделено от его силовой базы, осциллограф должен быть подключен к силовой базе используемой силовой цепи.
Сопротивление между любыми двумя точками на плоскости заземления можно измерить, добавив щуп к этим двум точкам. Комбинация усиления усилителя и чувствительности осциллографа позволяет чувствительности измерения достигать 5 мкВ / дел. Шум от усилителя увеличит ширину кривой осциллографа примерно на 3 мкВ, но все же можно достичь разрешения около 1 мкВ – достаточного для различения большинства шумов от земли с достоверностью до 80%.
В: Что следует отметить в описанном выше методе тестирования?
A: Любое переменное магнитное поле будет индуцировать напряжение на выводе пробника, которое можно проверить, закоротив пробники друг на друга (и обеспечив путь отклонения к сопротивлению заземления) и наблюдая за формой волны осциллографа. Наблюдаемая форма волны переменного тока возникает из-за индукции и может быть минимизирована путем изменения положения вывода или путем устранения магнитного поля. Кроме того, необходимо следить за тем, чтобы заземление усилителя было подключено к заземлению системы. Если у усилителя есть это соединение, то обратный путь отклонения отсутствует, и усилитель не будет работать. Заземление также должно гарантировать, что используемый метод заземления не влияет на распределение тока в проверяемой цепи.
В: Как измерить высокочастотный шум заземления?
О: Трудно измерить ВЧ шум земли с помощью подходящего широкополосного инструментального усилителя, поэтому подходят пассивные ВЧ- и УКВ-пробники. Он состоит из ферритового магнитного кольца (внешний диаметр 6 ~ 8 мм) с двумя катушками по 6 ~ 10 витков каждая. Чтобы сформировать высокочастотный изолирующий трансформатор, одна катушка подключается ко входу анализатора спектра, а другая – к зонду.
Метод тестирования аналогичен случаю низких частот, но анализатор спектра использует кривые амплитудно-частотной характеристики для представления шума. В отличие от свойств временной области, источники шума можно легко отличить по их частотным характеристикам. Кроме того, чувствительность анализатора спектра как минимум на 60 дБ выше, чем у широкополосного осциллографа.
В: А как насчет индуктивности провода?
A: Индуктивность проводников и проводящих полос печатных плат нельзя игнорировать на более высоких частотах. Чтобы рассчитать индуктивность прямого провода и проводящей полосы, здесь вводятся два приближения.
Например, проводящая полоса длиной 1 см и шириной 0.25 мм будет иметь индуктивность 10 нГн.
Индуктивность проводника = 0.0002LLN2LR-0.75 мкГн
Например, индуктивность провода с внешним диаметром 1 мм длиной 0.5 см составляет 7.26 н · ч (2R = 0.5 мм, L = 1 см).
Индуктивность проводящей зоны = 0.0002LLN2LW + H + 0.2235W + HL + 0.5 мкГн
Например, индуктивность проводящей полосы печатной платы шириной 1 см 0.25 мм составляет 9.59 нм (H = 0.038 мм, W = 0.25 мм, L = 1 см).
Однако индуктивное реактивное сопротивление обычно намного меньше паразитного потока и индуцированного напряжения отключенной индуктивной цепи. Площадь контура должна быть минимизирована, поскольку индуцированное напряжение пропорционально площади контура. Это несложно сделать, если разводка выполняется по витой паре.
В печатных платах выводной и обратный пути должны быть близко друг к другу. Небольшие изменения в проводке часто сводят к минимуму воздействие, см. Источник A, подключенный к низкоэнергетическому контуру B.
Уменьшение площади петли или увеличение расстояния между петлями связи минимизируют эффект. Площадь петли обычно уменьшается до минимума, а расстояние между петлями связи увеличивается до максимума. Иногда требуется магнитное экранирование, но оно дорогое и подвержено механическим повреждениям, поэтому избегайте его.
11. В: В разделе вопросов и ответов для прикладных инженеров часто упоминается неидеальное поведение интегральных схем. Должно быть проще использовать простые компоненты, такие как резисторы. Объясните близость идеальных компонентов.
О: Я просто хочу, чтобы резистор был идеальным устройством, но короткий цилиндр на выводе резистора действует точно так же, как чистый резистор. Фактический резистор также содержит мнимую составляющую сопротивления – составляющую реактивного сопротивления. Большинство резисторов имеют небольшую емкость (обычно от 1 до 3 пФ) параллельно их сопротивлению. Хотя в некоторых пленочных резисторах спиральные канавки, прорезанные в их резистивных пленках, в основном являются индуктивными, их индуктивное реактивное сопротивление составляет десятки или сотни наногенов (нГн). Конечно, сопротивление проволочной обмотки обычно индуктивное, а не емкостное (по крайней мере, на низких частотах). В конце концов, резисторы с проволочной обмоткой состоят из катушек, поэтому резисторы с проволочной обмоткой нередко имеют индуктивность в несколько микром (мкГн) или десятки микромов, или даже так называемые «неиндуктивные» резисторы с проволочной обмоткой. (где половина катушек намотана по часовой стрелке, а другая половина – против часовой стрелки). Таким образом, индуктивность, создаваемая двумя половинами катушки, компенсирует друг друга) также имеет остаточную индуктивность 1 мкГн или более. Для дорогостоящих резисторов с проволочной обмоткой выше примерно 10 кОм остальные резисторы в основном являются емкостными, а не индуктивными, а емкость до 10 пФ выше, чем у стандартных тонкопленочных или синтетических резисторов. Это реактивное сопротивление необходимо тщательно учитывать при проектировании высокочастотных цепей, содержащих резисторы.
В: Но многие из описанных вами схем используются для точных измерений при постоянном токе или очень низких частотах. Паразитные индукторы и паразитные конденсаторы не имеют отношения к этим приложениям, верно?
A: да. Поскольку транзисторы (как дискретные, так и внутри интегральных схем) имеют очень широкую полосу пропускания, иногда могут возникать колебания в диапазоне сотен или тысяч мегагерц, когда цепь заканчивается индуктивной нагрузкой. Действия смещения и исправления, связанные с колебаниями, плохо влияют на точность и стабильность низких частот.
Хуже того, колебания могут быть не видны на осциллографе либо из-за того, что полоса пропускания осциллографа слишком мала по сравнению с полосой пропускания измеряемых высокочастотных колебаний, либо из-за того, что зарядная емкость пробника осциллографа достаточна, чтобы остановить колебания. Лучшим методом является использование широкополосного анализатора спектра (от низкой частоты до 1–5 ГГц и выше) для проверки системы на паразитные колебания. Эта проверка должна выполняться, когда входной сигнал изменяется во всем динамическом диапазоне, потому что паразитные колебания иногда возникают в очень узком диапазоне входной полосы.
В: Есть вопросы по резисторам?
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.
Иногда могут быть полезны большие температурные коэффициенты (резистор + 3500 ppm / ° C может использоваться для компенсации kT / Q в уравнении характеристики переходного диода, как ранее упоминалось в разделе вопросов и ответов для инженеров-прикладников). Но в целом сопротивление с температурой может быть источником ошибок в прецизионных схемах.
Если точность схемы зависит от соответствия двух резисторов с разными температурными коэффициентами, то, независимо от того, насколько хорошо они согласованы при одной температуре, она не будет совпадать при другой. Даже если температурные коэффициенты двух резисторов совпадают, нет гарантии, что они останутся при одинаковой температуре. Собственное тепло, генерируемое внутренним потреблением энергии или внешним теплом, передаваемым от источника тепла в системе, может вызвать несоответствие температур, что приведет к сопротивлению. Даже высококачественные резисторы с проволочной обмоткой или металлопленочные резисторы могут иметь несоответствие температур в сотни (или даже тысячи) частей на миллион / ℃. Очевидное решение – использовать два резистора, построенных так, чтобы они оба были очень близки к одной и той же матрице, так что точность системы всегда хорошо согласовывается. Подложка может быть кремниевой пластиной, имитирующей точные интегральные схемы, стеклянной пластиной или металлической пленкой. Независимо от подложки, два резистора хорошо сочетаются во время производства, имеют хорошо согласованные температурные коэффициенты и имеют почти одинаковую температуру (потому что они так близки).