Doska plošných spojov ťažké problémy a riešenia

Otázka: Ako už bolo spomenuté skôr o jednoduchých rezistoroch, musia existovať niektoré rezistory, ktorých výkon je presne to, čo očakávame. Čo sa stane s odporom časti drôtu?
A: Situácia je iná. Pravdepodobne máte na mysli drôt alebo vodivý pás na doske s plošnými spojmi, ktorý funguje ako drôt. Pretože supravodiče pri izbovej teplote ešte nie sú k dispozícii, akákoľvek dĺžka kovového drôtu funguje ako odpor s nízkym odporom (ktorý funguje aj ako kondenzátor a induktor) a je potrebné vziať do úvahy jeho vplyv na obvod.
2. Otázka: Odpor veľmi krátkeho medeného drôtu v malom signálnom obvode nesmie byť dôležitý?
Odpoveď: Uvažujme 16-bitový ADC so vstupnou impedanciou 5k ω. Predpokladajme, že signálna linka na vstup ADC pozostáva z typickej dosky s plošnými spojmi (hrúbka 0.038 mm, šírka 0.25 mm) s vodivým pásom s dĺžkou 10 cm. Má odpor asi 0.18 ω pri izbovej teplote, čo je o niečo menej ako 5K ω × 2 × 2-16 a vytvára chybu zosilnenia 2LSB v plnom stupni.
Tento problém možno pravdepodobne zmierniť, ak ako už je, vodivé pásmo dosky plošných spojov PRINTED bude širšie. V analógových obvodoch je spravidla výhodnejšie použiť širšie pásmo, ale mnoho dizajnérov plošných spojov (a návrhárov plošných spojov) uprednostňuje použitie minimálnej šírky pásma na uľahčenie umiestnenia signálneho vedenia. Na záver je dôležité vypočítať odpor vodivého pásu a analyzovať jeho úlohu vo všetkých možných problémoch.
3. Otázka: Je problém s kapacitou vodivého pásu s príliš veľkou šírkou a kovovou vrstvou na zadnej strane dosky s plošnými spojmi PRINTED?
Odpoveď: Je to malá otázka. Napriek tomu, že kapacita z vodivého pásma dosky plošných spojov PRINTED je dôležitá (aj pre nízkofrekvenčné obvody, ktoré môžu vytvárať vysokofrekvenčné parazitné oscilácie), vždy by sa mala najskôr odhadnúť. Ak tomu tak nie je, ani široký vodivý pás tvoriaci veľkú kapacitu nie je problémom. Ak nastanú problémy, je možné odstrániť malú plochu základnej roviny, aby sa znížila kapacita voči zemi.
Otázka: Nechajte túto otázku na chvíľu! Čo je uzemňovacia rovina?
Odpoveď: Ak sa na uzemnenie použije medená fólia na celej strane dosky PRINTED (alebo celej medzivrstvy viacvrstvovej dosky s plošnými spojmi), potom tomu hovoríme uzemňovacia rovina. Akýkoľvek uzemňovací vodič musí byť usporiadaný s čo najmenším odporom a indukčnosťou. Ak systém používa uzemňovaciu rovinu, je menej pravdepodobné, že bude ovplyvnený uzemňovacím hlukom. Uzemňovacia rovina má navyše aj funkciu tienenia a chladenia
Otázka: Tu uvedená uzemňovacia rovina je pre výrobcov ťažká, nie?
Odpoveď: Pred 20 rokmi boli nejaké problémy. Dnes, kvôli zlepšeniu technológie spojiva, odporu spájky a spájkovania vlnou na doskách s plošnými spojmi, sa výroba uzemňovacej roviny stala rutinnou operáciou dosiek plošných spojov.
Otázka: Povedali ste, že možnosť vystaviť systém zemskému hluku pomocou základnej roviny je veľmi malá. Čo zostáva z problému so zemným hlukom, ktorý sa nedá vyriešiť?
Odpoveď: Základný obvod uzemneného hlukového systému má základnú rovinu, ale jeho odpor a indukčnosť nie sú nulové – ak je externý zdroj prúdu dostatočne silný, ovplyvní to presné signály. Tento problém je možné minimalizovať správnym usporiadaním dosiek s plošnými spojmi tak, aby vysoký prúd neprúdil do oblastí, ktoré ovplyvňujú uzemňovacie napätie presných signálov. Niekedy môže zlom alebo štrbina v základnej rovine odkloniť veľký uzemňovací prúd z citlivej oblasti, ale násilná zmena základnej roviny môže tiež presmerovať signál do citlivej oblasti, takže takúto techniku ​​je potrebné používať opatrne.
Otázka: Ako zistím pokles napätia generovaný na uzemnenej rovine?
Odpoveď: Obvykle je možné merať pokles napätia, ale niekedy je možné vykonať výpočty na základe odporu materiálu v uzemňovacej rovine (nominálna 1 unca medi má odpor 045 m ω /□) a dĺžky vodivé pásmo, ktorým prechádza prúd, aj keď výpočty môžu byť komplikované. Napätie v rozmedzí jednosmerných až nízkych frekvencií (50 kHz) je možné merať pomocou prístrojových zosilňovačov, ako napríklad AMP02 alebo AD620.
Zosilňovač zosilňovača bol nastavený na 1000 a pripojený k osciloskopu s citlivosťou 5mV/div. Zosilňovač môže byť napájaný z rovnakého zdroja energie ako testovaný obvod alebo z vlastného zdroja energie. Ak je však uzemnenie zosilňovača oddelené od napájacej základne, osciloskop musí byť pripojený k výkonovej základni použitého výkonového obvodu.
Odpor medzi akýmikoľvek dvoma bodmi v základnej rovine je možné merať pridaním sondy k týmto dvom bodom. Kombinácia zosilnenia zosilnenia a citlivosti osciloskopu umožňuje dosiahnuť citlivosť merania 5μV/div. Hluk zo zosilňovača zvýši šírku krivky priebehu osciloskopu asi o 3μV, ale stále je možné dosiahnuť rozlíšenie asi 1μV – dostatočné na rozlíšenie väčšiny pozemného šumu s spoľahlivosťou až 80%.
Otázka: Čo je potrebné poznamenať o vyššie uvedenej testovacej metóde?
Odpoveď: Akékoľvek striedavé magnetické pole vyvolá na vodiči sondy napätie, ktoré je možné testovať vzájomným skratovaním sond (a poskytnutím vychyľovacej dráhy k odporu zeme) a pozorovaním tvaru vlny osciloskopu. Pozorovaný priebeh striedavého prúdu je spôsobený indukciou a je možné ho minimalizovať zmenou polohy elektródy alebo pokusom o elimináciu magnetického poľa. Okrem toho je potrebné zabezpečiť, aby uzemnenie zosilňovača bolo spojené s uzemnením systému. Ak má zosilňovač toto pripojenie, neexistuje spätná cesta vychýlenia a zosilňovač nebude fungovať. Uzemnenie by malo tiež zaistiť, aby použitá metóda uzemnenia nerušila rozloženie prúdu testovaného obvodu.
Otázka: Ako merať vysokofrekvenčný uzemňovací hluk?
Odpoveď: Je ťažké merať hf pozemný hluk vhodným širokopásmovým prístrojovým zosilňovačom, preto sú vhodné pasívne sondy hf a VHF. Skladá sa z feritového magnetického prstenca (vonkajší priemer 6 ~ 8 mm) s dvoma cievkami po 6 až 10 otáčok. Na vytvorenie vysokofrekvenčného izolačného transformátora je jedna cievka pripojená k vstupu analyzátora spektra a druhá k sonde.
Testovacia metóda je podobná prípadu s nízkou frekvenciou, ale spektrálny analyzátor používa na znázornenie šumu charakteristické krivky amplitúdovej frekvencie. Na rozdiel od vlastností v časovej oblasti je možné zdroje šumu ľahko rozlíšiť na základe ich frekvenčných charakteristík. Citlivosť spektrálneho analyzátora je navyše najmenej o 60 dB vyššia ako citlivosť širokopásmového osciloskopu.
Otázka: A čo indukčnosť drôtu?
Odpoveď: Indukčnosť vodičov a vodivých pásov plošných spojov nemožno pri vyšších frekvenciách ignorovať. Na výpočet indukčnosti priameho drôtu a vodivého pásma sú tu uvedené dve aproximácie.
Napríklad vodivý pás s dĺžkou 1 cm a šírkou 0.25 mm vytvorí indukčnosť 10 nH.
Indukčnosť vodiča = 0.0002LLN2LR-0.75 μH
Napríklad indukčnosť 1 cm dlhého 0.5 mm drôtu s vonkajším priemerom je 7.26 nm (2 R = 0.5 mm, L = 1 cm)
Indukčnosť vodivého pásma = 0.0002LLN2LW+H+0.2235W+HL+0.5μH
Napríklad indukčnosť 1 cm širokého 0.25 mm vodivého pásma dosky plošných spojov je 9.59 nm (v = 0.038 mm, š = 0.25 mm, d = 1 cm).
Indukčná reaktancia je však zvyčajne oveľa menšia ako parazitný tok a indukované napätie prerušeného indukčného obvodu. Plochu slučky je potrebné minimalizovať, pretože indukované napätie je úmerné oblasti slučky. To sa ľahko robí, keď je vedenie skrútené.
Na doskách s plošnými spojmi by mali byť zvodové a vratné cesty blízko seba. Malé zmeny zapojenia často minimalizujú náraz, pozri zdroj A spojený s nízkoenergetickou slučkou B.
Zmenšenie oblasti slučky alebo zväčšenie vzdialenosti medzi spojovacími slučkami minimalizuje účinok. Plocha slučky je zvyčajne zmenšená na minimum a vzdialenosť medzi spojovacími slučkami je maximalizovaná. Magnetické tienenie je niekedy potrebné, ale je drahé a náchylné na mechanické poruchy, preto sa mu vyhnite.
11. Otázka: V otázkach a odpovediach pre aplikačných inžinierov sa často spomína neideálne správanie integrovaných obvodov. Malo by byť jednoduchšie používať jednoduché komponenty, ako sú odpory. Vysvetlite blízkosť ideálnych komponentov.
Odpoveď: Chcem, aby bol odpor ideálnym zariadením, ale krátky valec na vedení rezistora funguje presne ako čistý odpor. Skutočný odpor obsahuje aj imaginárnu odporovú zložku – zložku reaktancie. Väčšina rezistorov má malú kapacitu (typicky 1 až 3 pF) súbežne so svojim odporom. Napriek tomu, že niektoré filmové rezistory sú na svojich odporových filmoch rezané špirálovitou drážkou, sú väčšinou indukčné, ich indukčná reaktancia je desiatky alebo stovky nahen (nH). Odpory navinuté na drôte sú samozrejme spravidla skôr indukčné ako kapacitné (aspoň pri nízkych frekvenciách). Napokon, drôtové rezistory sú vyrobené z cievok, preto nie je neobvyklé, že drôtové vinuté rezistory majú indukčnosti niekoľko mikrohm (μH) alebo desiatky mikrohm, alebo dokonca takzvané „neindukčné“ drôtové rezistory (kde polovica cievok je navinutá v smere hodinových ručičiek a druhá polovica proti smeru hodinových ručičiek). Aby sa indukčnosť produkovaná dvoma polovicami cievky navzájom rušila), mala tiež 1 μH alebo viac zvyškovej indukčnosti. Pri vysokohodnotných drôtových rezistoroch nad približne 10 kω sú zvyšné rezistory väčšinou kapacitné než induktívne a kapacita je až 10 pF, vyššia ako u štandardných tenkých vrstiev alebo syntetických rezistorov. Túto reaktanciu je potrebné starostlivo zvážiť pri navrhovaní vysokofrekvenčných obvodov obsahujúcich odpory.
Otázka: Ale mnoho obvodov, ktoré popisujete, sa používa na presné merania pri jednosmerných alebo veľmi nízkych frekvenciách. Rozptýlené induktory a bludné kondenzátory sú v týchto aplikáciách irelevantné, nie?
A: áno. Pretože tranzistory (diskrétne aj v rámci integrovaných obvodov) majú veľmi široké šírky pásma, oscilácie sa môžu niekedy vyskytnúť v stovkách alebo tisíckach megahertzových pásiem, keď obvod končí s indukčným zaťažením. Odsadenie a korekčné akcie súvisiace s osciláciami majú zlý vplyv na presnosť a stabilitu nízkych frekvencií.
Horšie je, že oscilácie nemusia byť na osciloskope viditeľné, pretože šírka pásma osciloskopu je príliš nízka v porovnaní so šírkou pásma meraných vysokofrekvenčných kmitov, alebo preto, že nabíjacia kapacita sondy osciloskopu je dostatočná na zastavenie oscilácií. Najlepšou metódou je použiť širokopásmový analyzátor spektra (od nízkych frekvencií do 1–5 GHz vyššie) na kontrolu parazitických oscilácií v systéme. Táto kontrola by sa mala vykonať, ak sa vstup líši v celom dynamickom rozsahu, pretože parazitné oscilácie sa niekedy vyskytujú vo veľmi úzkom rozsahu vstupného pásma.
Otázka: Existujú nejaké otázky týkajúce sa rezistorov?
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.
Niekedy môžu byť užitočné veľké teplotné koeficienty (na kompenzáciu kT/ Q v rovnici charakteristík spojovacej diódy je možné použiť odpor +3500 ppm/ ° C, ako bolo uvedené vyššie v Q&AS pre aplikačných inžinierov). Všeobecne však odpor s teplotou môže byť zdrojom chyby v presných obvodoch.
Ak presnosť obvodu závisí od zhody dvoch odporov s rôznymi teplotnými koeficientmi, potom bez ohľadu na to, ako dobre zodpovedané pri jednej teplote, nebude zodpovedať druhej. Aj keď sa teplotné koeficienty dvoch rezistorov zhodujú, neexistuje žiadna záruka, že zostanú na rovnakej teplote. Vlastné teplo generované vnútornou spotrebou energie alebo vonkajším teplom prenášaným zo zdroja tepla v systéme môže spôsobiť teplotné nesúlady, ktoré vedú k odporu. Aj vysokokvalitné drôtové alebo kovové filmové odpory môžu mať teplotné nesúlady stovky (alebo dokonca tisíce) PPM / ℃. Zjavným riešením je použiť dva odpory postavené tak, aby boli oba veľmi blízko tej istej matice, aby sa presnosť systému vždy dobre zhodovala. Substrátom môžu byť kremíkové doštičky, ktoré simulujú presné integrované obvody, sklenené doštičky alebo kovové fólie. Bez ohľadu na substrát sa dva odpory počas výroby dobre zhodujú, majú dobre zladené teplotné koeficienty a sú na takmer rovnakej teplote (pretože sú tak blízko).