Tiskano vezje težke težave in rešitve

V: Kot smo že omenili pri enostavnih uporih, mora obstajati nekaj uporov, katerih zmogljivost je točno takšna, kot jo pričakujemo. Kaj se zgodi z uporom odseka žice?
O: Situacija je drugačna. Verjetno govorite o žici ali prevodnem pasu na tiskanem vezju, ki deluje kot žica. Ker superprevodniki pri sobni temperaturi še niso na voljo, vsaka dolžina kovinske žice deluje kot upor z nizkim uporom (ki deluje tudi kot kondenzator in induktor), zato je treba upoštevati njegov učinek na vezje.
2. V: Odpornost zelo kratke bakrene žice v majhnem signalnem vezju ne sme biti pomembna?
O: razmislimo o 16-bitnem ADC-ju z vhodno impedanco 5k ω. Predpostavimo, da je signalna linija do vhoda ADC sestavljena iz tipičnega tiskanega vezja (debeline 0.038 mm, širine 0.25 mm) s prevodnim trakom dolžine 10 cm. Ima upor približno 0.18 ω pri sobni temperaturi, kar je nekaj manj kot 5K ω × 2 × 2-16 in pri polni stopnji povzroči napako 2LSB.
Verjetno se lahko ta težava ublaži, če se prevodni pas tiskanega vezja, kot je že, poveča. V analognih vezjih je na splošno bolje uporabiti širši pas, vendar mnogi oblikovalci tiskanih vezij (in oblikovalci tiskanih vezij) raje uporabljajo najmanjšo širino pasu za olajšanje postavitve signalne linije. Skratka, pomembno je izračunati upor prevodnega pasu in analizirati njegovo vlogo pri vseh možnih težavah.
3. V: Ali obstaja problem z kapacitivnostjo prevodnega pasu s preveliko širino in kovinskim slojem na zadnji strani tiskanega vezja?
O: To je majhno vprašanje. Čeprav je kapacitivnost prevodnega pasu tiskanega vezja pomembna (tudi za nizkofrekvenčna vezja, ki lahko povzročijo visokofrekvenčna parazitska nihanja), jo je treba vedno najprej oceniti. Če temu ni tako, tudi širok prevodni pas, ki tvori veliko kapacitivnost, ni problem. Če pride do težav, je mogoče odstraniti majhno površino ozemljitvene plošče, da se zmanjša kapacitivnost do zemlje.
V: Pusti to vprašanje za trenutek! Kaj je ozemljitvena ravnina?
O: Če se za ozemljitev uporablja bakrena folija na celotni strani tiskanega vezja (ali celotnega vmesnega sloja večplastnega tiskanega vezja), potem temu pravimo ozemljitvena ravnina. Vsaka ozemljitvena žica mora biti razporejena z najmanjšo možno upornostjo in induktivnostjo. Če sistem uporablja ravnino ozemljitve, je manj verjetno, da bo nanj vplival hrup ozemljitve. Poleg tega ima ozemljitvena ravnina tudi funkcijo zaščite in hlajenja
V: Tu omenjena ozemljitvena ravnina je za proizvajalce težka, kajne?
O: Pred 20 leti je bilo nekaj težav. Danes je zaradi izboljšanja veziva, odpornosti spajkanja in tehnologije spajkanja valov v tiskanih vezjih izdelava ozemljitvene ravnine postala rutinsko delovanje tiskanih vezij.
V: Rekli ste, da je možnost izpostavljanja sistema hrupu tal z uporabo talne ravnine zelo majhna. Kaj ostaja pri problemu hrupa na tleh, ki ga ni mogoče rešiti?
O: Osnovno vezje ozemljenega hrupnega sistema ima ozemljitveno ravnino, vendar njegova upornost in induktivnost nista nič – če je zunanji vir toka dovolj močan, bo vplival na natančne signale. To težavo je mogoče zmanjšati z ustrezno razporeditvijo tiskanih vezij, tako da visok tok ne teče na področja, ki vplivajo na ozemljitveno napetost natančnih signalov. Včasih lahko prelom ali reža v ozemljitveni ravnini preusmeri velik ozemljitveni tok z občutljivega območja, vendar lahko s silo spreminjate ozemljitveno ravnino tudi signal v občutljivo območje, zato je treba takšno tehniko uporabljati previdno.
V: Kako vem, da padec napetosti nastane na ozemljeni ravnini?
O: običajno je mogoče izmeriti padec napetosti, včasih pa je mogoče izračunati glede na upornost materiala v ozemljitveni ravnini (nominalna 1 unča bakra ima upor 045m ω /□) in dolžino prevodni pas, skozi katerega prehaja tok, čeprav so izračuni lahko zapleteni. Napetosti v območju enosmernega toka do nizkofrekvenčnega (50 kHz) lahko merimo z instrumentacijskimi ojačevalniki, kot sta AMP02 ali AD620.
Dobiček ojačevalnika je bil nastavljen na 1000 in povezan z osciloskopom z občutljivostjo 5mV/div. Ojačevalnik se lahko napaja iz istega vira napajanja kot preskusno vezje ali iz lastnega vira napajanja. Če pa je ozemljitev ojačevalnika ločena od osnove napajanja, mora biti osciloskop povezan z bazo moči uporabljenega napajalnega vezja.
Upor med poljubnima dvema točkama na ravnini tal je mogoče izmeriti z dodajanjem sonde obema točkama. Kombinacija ojačanja ojačevalnika in občutljivosti osciloskopa omogoča, da občutljivost merjenja doseže 5μV/div. Hrup ojačevalnika bo povečal širino krivulje osciloskopske valovne oblike za približno 3μV, vendar je še vedno mogoče doseči ločljivost približno 1μV – dovolj za razlikovanje večine talnega hrupa z do 80% zaupanjem.
V: Kaj je treba upoštevati pri zgornji preskusni metodi?
O: Vsako izmenično magnetno polje bo povzročilo napetost na žici sonde, kar lahko preizkusimo s kratkim stikom sond med seboj (in zagotovitvijo odklonske poti do upora tal) in opazovanjem valovne oblike osciloskopa. Opažena valovna oblika izmeničnega toka je posledica indukcije in jo je mogoče zmanjšati s spremembo položaja vodila ali s poskusom odprave magnetnega polja. Poleg tega je treba zagotoviti, da je ozemljitev ojačevalnika povezana z ozemljitvijo sistema. Če ima ojačevalnik to povezavo, povratne poti odklona ni in ojačevalnik ne bo deloval. Ozemljitev mora zagotoviti tudi, da uporabljena metoda ozemljitve ne moti trenutne porazdelitve preskusnega vezja.
V: Kako izmeriti visokofrekvenčni hrup ozemljitve?
O: Težko je izmeriti hf talnega hrupa z ustreznim širokopasovnim instrumentacijskim ojačevalnikom, zato so primerne pasivne sonde hf in VHF. Sestavljen je iz feritnega magnetnega obroča (zunanji premer 6 ~ 8 mm) z dvema tuljavama po 6 ~ 10 obratov. Za tvorbo visokofrekvenčnega izolacijskega transformatorja je ena tuljava priključena na vhod analizatorja spektra, druga pa na sondo.
Preskusna metoda je podobna nizkofrekvenčnemu primeru, vendar analizator spektra uporablja amplitudno-frekvenčne karakteristične krivulje za predstavitev hrupa. Za razliko od lastnosti časovne domene je mogoče vire hrupa zlahka razlikovati glede na njihove frekvenčne značilnosti. Poleg tega je občutljivost analizatorja spektra vsaj 60 dB višja od občutljivosti širokopasovnega osciloskopa.
V: Kaj pa induktivnost žice?
O: Induktivnosti prevodnikov in prevodnih pasov PCB ni mogoče prezreti pri višjih frekvencah. Za izračun induktivnosti ravne žice in prevodnega pasu sta tukaj uvedena dva približka.
Na primer, prevodni pas dolžine 1 cm in širine 0.25 mm bo tvoril induktivnost 10nH.
Induktivnost prevodnika = 0.0002LLN2LR-0.75 μH
Na primer, induktivnost 1 cm dolge žice z zunanjim premerom 0.5 mm je 7.26 nh (2R = 0.5 mm, L = 1 cm)
Induktivnost prevodnega pasu = 0.0002LLN2LW+H+0.2235W+HL+0.5μH
Na primer, induktivnost prevodnega pasu s tiskanim vezjem širine 1 cm širine 0.25 cm je 9.59 nh (V = 0.038 mm, Š = 0.25 mm, L = 1 cm).
Vendar je induktivna upornost običajno veliko manjša od parazitskega toka in inducirane napetosti prerezanega induktivnega vezja. Območje zanke je treba zmanjšati, ker je inducirana napetost sorazmerna s površino zanke. To je enostavno narediti, če je ožičenje zvit par.
V tiskanih vezjih morata biti vodilna in povratna pot blizu. Majhne spremembe ožičenja pogosto zmanjšajo vpliv, glej vir A, povezan z nizkoenergijsko zanko B.
Zmanjšanje območja zanke ali povečanje razdalje med spenjalnimi zankami bo zmanjšalo učinek. Območje zanke se običajno zmanjša na najmanjšo možno mero, razdalja med spenjalnimi zankami pa se poveča. Magnetna zaščita je včasih potrebna, vendar je draga in nagnjena k mehanskim okvaram, zato se ji izogibajte.
11. V: V vprašanjih in odgovorih za aplikacijske inženirje se pogosto omenja neidealno obnašanje integriranih vezij. Enostavnejše komponente, kot so upori, bi moralo biti lažje. Pojasnite bližino idealnih komponent.
O: Želim si le, da bi bil upor idealna naprava, toda kratek valj na vodilu upora deluje točno kot čisti upor. Dejanski upor vsebuje tudi namišljeno uporniško komponento – komponento upornosti. Večina uporov ima majhno kapacitivnost (običajno 1 do 3pF) vzporedno s svojo upornostjo. Čeprav so nekateri filmski upori, pri katerih je rezanje spiralnih utorov v uporovnih filmih večinoma induktivno, je njihova induktivna upornost na desetine ali stotine nahenov (nH). Seveda so upori navitih žic na splošno induktivni in ne kapacitivni (vsaj pri nizkih frekvencah). Konec koncev so žični upori narejeni iz tuljav, zato ni redkost, da imajo upori z žičnimi navitji nekaj mikrohmov (μH) ali več deset mikrohmov ali celo tako imenovane “neinduktivne” žične upore (kjer je polovica tuljav navita v smeri urinega kazalca, druga polovica pa v nasprotni smeri urinega kazalca). Tako da se induktivnost, ki jo tvorita obe polovici tuljave, medsebojno izniči) ima tudi 1μH ali več preostale induktivnosti. Pri visokokakovostnih žičnih uporih nad približno 10 k ω so preostali upori večinoma kapacitivni in ne induktivni, kapacitivnost pa do 10 pF, višja od standardnih tankoslojnih ali sintetičnih uporov. To reaktanco je treba skrbno upoštevati pri načrtovanju visokofrekvenčnih vezij, ki vsebujejo upore.
V: Toda številna vezja, ki jih opisujete, se uporabljajo za natančne meritve pri enosmernih ali zelo nizkih frekvencah. Potepušni induktorji in potepuški kondenzatorji v teh aplikacijah niso pomembni, kajne?
O: da. Ker imajo tranzistorji (diskretni in znotraj integriranih vezij) zelo široke pasove, se lahko včasih pojavijo nihanja v stotinah ali tisoč megahercnih pasovih, ko se vezje konča z induktivno obremenitvijo. Ukrepi odmika in popravljanja, povezani z nihanji, slabo vplivajo na nizkofrekvenčno natančnost in stabilnost.
Še huje, nihanja morda niso vidna na osciloskopu niti zato, ker je pasovna širina osciloskopa prenizka v primerjavi s pasovno širino visokofrekvenčnih nihanj, ki se merijo, ali ker je zmogljivost naboja sonde osciloskopa zadostna za ustavitev nihanj. Najboljša metoda je uporaba širokopasovnega (nizkofrekvenčnega do 15GHz zgoraj) analizatorja spektra za preverjanje sistema glede parazitskih nihanj. To preverjanje je treba izvesti, ko se vhod spreminja v celotnem dinamičnem območju, ker se parazitska nihanja včasih pojavijo v zelo ozkem območju vhodnega pasu.
V: Ali obstajajo vprašanja o uporih?
O: Odpornost upora ni fiksna, ampak se spreminja s temperaturo. Temperaturni koeficient (TC) se giblje od nekaj PPM /° C (milijoninke na stopinjo Celzija) do nekaj tisoč PPM /° C. Najbolj stabilni upori so žični ali kovinski filmski upori, najslabši pa so sintetični ogljikovi upori.
Včasih so lahko koristni veliki temperaturni koeficienti (upor +3500ppm/ ° C se lahko uporabi za kompenzacijo kT/ Q v enačbi značilnosti stične diode, kot je bilo prej omenjeno v vprašanjih in vprašanjih za inženirje aplikacij). Na splošno pa je lahko odpor s temperaturo vir napak v natančnih vezjih.
Če je natančnost vezja odvisna od ujemanja dveh uporov z različnimi temperaturnimi koeficienti, potem ne glede na to, kako dobro se ujemata pri eni temperaturi, se ne bo ujemala pri drugi. Tudi če se temperaturni koeficienti dveh uporov ujemajo, ni zagotovila, da bosta ostala pri isti temperaturi. Lastna toplota, ki nastane zaradi notranje porabe energije ali zunanje toplote, ki se prenaša iz vira toplote v sistemu, lahko povzroči temperaturna neskladja, kar povzroči upor. Tudi visokokakovostni žični ali kovinsko-filmski upori imajo lahko temperaturne neusklajenosti na stotine (ali celo tisoče) PPM / ℃. Očitna rešitev je uporaba dveh uporov, zgrajenih tako, da sta oba zelo blizu iste matrice, tako da se natančnost sistema ves čas dobro ujema. Podlaga so lahko silikonske ploščice, ki simulirajo natančna integrirana vezja, steklene ploščice ali kovinske folije. Ne glede na podlago se oba upora med proizvodnjo dobro ujemata, imata dobro ujemajoče se temperaturne koeficiente in sta pri skoraj enaki temperaturi (ker sta si tako blizu).