Штампана плоча тешки проблеми и решења

П: Као што је раније речено о једноставним отпорницима, мора постојати неки отпорник чије перформансе су управо оно што очекујемо. Шта се дешава са отпором дела жице?
О: Ситуација је другачија. Вероватно мислите на жицу или проводљиву траку на штампаној плочи која делује као жица. С обзиром да супреводници собне температуре још увек нису доступни, било која дужина металне жице делује као отпорник ниског отпора (који такође делује као кондензатор и индуктор), па се мора узети у обзир њен утицај на коло.
2. П: Отпор врло кратке бакарне жице у малом сигналном колу не сме бити важан?
О: Хајде да размотримо 16-битни АДЦ са улазном импедансом 5к ω. Претпоставимо да се сигнална линија до АДЦ улаза састоји од типичне штампане плоче (дебљине 0.038 мм, ширине 0.25 мм) са проводљивим појасом дужине 10 цм. Има отпор од око 0.18 ω на собној температури, што је мало мање од 5К ω × 2 × 2-16 и производи грешку појачања од 2ЛСБ при пуном степену.
Вероватно би се овај проблем могао умањити ако се, као што већ јесте, проводни опсег штампане плоче прошири. У аналогним колима опћенито је пожељније користити шири опсег, али многи дизајнери ПЦБ -а (и дизајнери ПЦБ -а) радије користе минималну ширину појаса како би олакшали постављање сигналне линије. У закључку, важно је израчунати отпор проводног појаса и анализирати његову улогу у свим могућим проблемима.
3. П: Постоји ли проблем са капацитетом проводне траке превелике ширине и металним слојем на полеђини ШТАМПАНЕ плоче?
О: То је мало питање. Иако је капацитет из проводљивог опсега штампане плоче важан (чак и за нискофреквентна кола, која могу произвести високофреквентне паразитске осцилације), увек га треба прво проценити. Ако то није случај, чак ни широки проводни појас који ствара велики капацитет није проблем. Ако дође до проблема, може се уклонити мала површина уземљења како би се смањио капацитет земље.
П: Оставите ово питање на тренутак! Шта је равнина уземљења?
О: Ако се за уземљење користи бакарна фолија са целе стране ШТАМПАНЕ плоче (или читавог међуслоја вишеслојне штампане плоче), то је оно што називамо равни уземљења. Било која жица за уземљење мора бити постављена са најмањим могућим отпором и индуктивношћу. Ако систем користи равнину уземљења, мања је вероватноћа да ће на њега утицати бука уземљења. Осим тога, равнина уземљења има и функцију заштите и хлађења
П: Произвођач тешко спомиње овде уземљени авион, зар не?
О: Било је неких проблема пре 20 година. Данас је, због побољшања везива, отпора лемљења и технологије лемљења таласа у штампаним плочама, производња уземљења постала рутинска операција штампаних плоча.
П: Рекли сте да је могућност излагања система буци уземљења употребом уземљења врло мала. Шта остаје од проблема буке на земљи који се не може решити?
О: Основно коло уземљеног система шума има равнину уземљења, али његов отпор и индуктивност нису нула – ако је спољни извор струје довољно јак, утицаће на прецизне сигнале. Овај проблем се може умањити правилним постављањем штампаних плоча тако да велика струја не тече у подручја која утичу на напон уземљења прецизних сигнала. Понекад прекид или прорез у равнини тла може преусмерити велику струју уземљења из осетљивог подручја, али насилно мењање равни уземљења такође може преусмерити сигнал у осетљиво подручје, па се таква техника мора користити пажљиво.
П: Како да знам пад напона генерисан на уземљеној равни?
О: Обично се може мерити пад напона, али понекад се могу извршити прорачуни на основу отпора материјала у равни уземљења (номинална 1 унца бакра има отпор 045м ω /□) и дужине проводни појас кроз који струја пролази, мада прорачуни могу бити компликовани. Напон у опсегу једносмерне струје до ниске фреквенције (50 кХз) може се мерити помоћу инструменталних појачала као што је АМП02 или АД620.
Појачало појачала је постављено на 1000 и повезано са осцилоскопом са осетљивошћу од 5мВ/див. Појачало се може напајати из истог извора напајања као и испитивано коло или из властитог извора напајања. Међутим, ако је маса појачала одвојена од основе напајања, осцилоскоп мора бити повезан са базом напајања употребљеног струјног кола.
Отпор између било које две тачке у равни земље може се измерити додавањем сонде у две тачке. Комбинација појачања појачала и осетљивости осцилоскопа омогућава да осетљивост мерења достигне 5μВ/див. Бука из појачала ће повећати ширину криве таласног облика осцилоскопа за око 3μВ, али је и даље могуће постићи резолуцију од око 1μВ – довољно да се са 80% поузданости разликује већина шума на земљи.
П: Шта треба напоменути у вези са горенаведеним методом испитивања?
О: Било које наизменично магнетско поље изазваће напон на проводнику сонде, што се може тестирати кратким спојем сонди једна према другој (и обезбеђивањем путање скретања до отпора уземљења) и посматрањем таласног облика осцилоскопа. Уочени облик таласа наизменичне струје је последица индукције и може се умањити променом положаја електроде или покушајем уклањања магнетног поља. Осим тога, потребно је осигурати да је уземљење појачала повезано са уземљењем система. Ако појачало има ову везу, нема повратне путање скретања и појачало неће радити. Уземљење такође треба да осигура да употребљена метода уземљења не омета дистрибуцију струје кола које се тестира.
П: Како измерити високофреквентни шум уземљења?
О: Тешко је измерити хф уземљење са одговарајућим широкопојасним инструментационим појачалом, па су одговарајуће пасивне сонде хф и ВХФ. Састоји се од феритног магнетног прстена (спољни пречник 6 ~ 8 мм) са два намотаја од по 6-10 завоја. Да би се формирао високофреквентни изолациони трансформатор, једна завојница је повезана на улаз анализатора спектра, а друга на сонду.
Метода испитивања је слична случају ниске фреквенције, али анализатор спектра користи амплитудно-фреквенцијске карактеристичне криве за представљање шума. За разлику од својстава временског домена, извори шума могу се лако разликовати на основу њихових фреквенцијских карактеристика. Осим тога, осетљивост анализатора спектра је најмање 60 дБ већа од осетљивости широкопојасног осцилоскопа.
П: Шта је са индуктивношћу жице?
О: Индуктивност водича и проводних појасева ПЦБ -а не може се занемарити на вишим фреквенцијама. Да би се израчунао индуктивитет равне жице и проводне траке, овде се уводе две апроксимације.
На пример, проводљива трака дуга 1 цм и широка 0.25 мм формираће индуктивитет од 10 нХ.
Индуктивност проводника = 0.0002ЛЛН2ЛР-0.75 μХ
На пример, индуктивност жице спољног пречника дугачког 1 цм износи 0.5 нх (7.26Р = 2 мм, Л = 0.5 цм)
Индуктивност проводног појаса = 0.0002ЛЛН2ЛВ+Х+0.2235В+ХЛ+0.5μХ
На пример, индуктивност проводне траке штампане плоче ширине 1 мм ширине 0.25 цм износи 9.59 нх (В = 0.038 мм, Ш = 0.25 мм, Л = 1 цм).
Међутим, индуктивна реактанција је обично много мања од паразитског тока и индукованог напона прекинутог индуктивног кола. Подручје петље мора бити минимизирано јер је индуковани напон пропорционалан површини петље. То је лако учинити када је ожичење уплетено.
У штампаним плочама, проводне и повратне стазе треба да буду близу једна другој. Мале промене ожичења често умањују утицај, погледајте извор А повезан са петљом ниске енергије Б.
Смањивањем површине петље или повећањем растојања између спојних петљи ефекат ће бити минимизиран. Област петље се обично смањује на минимум, а растојање између петљи за спајање се максимизира. Понекад је потребна магнетна заштита, али је скупа и склона механичким кварима, па је избегавајте.
11. П: У питањима и одговорима за инжењере апликација често се помиње неидеално понашање интегрисаних кола. Требало би бити лакше користити једноставне компоненте као што су отпорници. Објасните близину идеалних компоненти.
О: Само желим да отпорник буде идеалан уређај, али кратки цилиндар на врху отпорника делује баш као чисти отпорник. Стварни отпорник такође садржи замишљену компоненту отпора – компоненту реактансе. Већина отпорника има мали капацитет (типично 1 до 3пФ) паралелно са отпором. Иако су неки филмски отпорници, резање спиралних утора у њиховим отпорним филмовима углавном индуктивно, њихова индуктивна реактанса је десетине или стотине нахена (нХ). Наравно, отпори намотавања жица су опћенито индуктивни, а не капацитивни (барем на ниским фреквенцијама). На крају крајева, жичани отпорници направљени су од завојница, па није неуобичајено да отпорници са намотаном жицом имају индуктивитет од неколико микрохм (μХ) или десетине микрохма, па чак и такозване „неиндуктивне“ отпорнике са жицом (где је половина завојница намотана у смеру казаљке на сату, а друга половина у смеру супротном од казаљке на сату). Тако да се индуктивност коју производе две половине калема међусобно поништава) такође има 1μХ или више заостале индуктивности. За високо вредне отпорнике намотане жицом изнад приближно 10к ω, преостали отпорници су углавном капацитивни, а не индуктивни, а капацитет је до 10пФ, већи од оног код стандардних танкослојних или синтетичких отпорника. Ова реактанција мора се пажљиво узети у обзир при пројектовању високофреквентних кола која садрже отпорнике.
П: Али многа кола која описујете користе се за прецизна мерења на истосмерним или врло ниским фреквенцијама. Спуштени индуктори и залутали кондензатори нису битни у овим апликацијама, зар не?
О: да. Пошто транзистори (и дискретни и унутар интегрисаних кола) имају веома широке ширине опсега, понекад се могу појавити осцилације у стотинама или хиљадама мегахерцних опсега када се коло заврши индуктивним оптерећењем. Поступци помака и исправљања повезани са осцилацијама имају лош утицај на тачност и стабилност ниске фреквенције.
Што је још горе, осцилозе можда неће бити видљиве ни на осцилоскопу јер је пропусни опсег осцилоскопа премален у поређењу са пропусним опсегом високофреквентних осцилација које се мере, или зато што је капацитет наелектрисања сонде осцилоскопа довољан да заустави осциловања. Најбољи начин је да се користи анализатор спектра широког опсега (ниске фреквенције до 15ГХз изнад) за проверу система на паразитске осцилације. Ову проверу треба извршити када улаз варира у целом динамичком опсегу, јер се паразитске осцилације понекад јављају у врло уском опсегу улазног опсега.
П: Има ли питања о отпорницима?
О: Отпор отпорника није стабилан, већ се мења у зависности од температуре. Температурни коефицијент (ТЦ) варира од неколико ППМ /° Ц (милионити део по степену Целзијуса) до неколико хиљада ППМ /° Ц. Најстабилнији отпорници су отпорници намотани жицом или метални филм, а најгори отпорници од синтетичког угљеничног филма.
Велики температурни коефицијенти понекад могу бити корисни (отпорник од +3500ппм/ ° Ц се може користити за компензацију кТ/ К у једначини карактеристика спојне диоде, као што је раније поменуто у питањима и одговорима за инжењере за примену). Али генерално отпор са температуром може бити извор грешке у прецизним колима.
Ако прецизност кола зависи од подударања два отпорника са различитим температурним коефицијентима, без обзира на то колико су добро усклађени на једној температури, неће се подударати на другој. Чак и ако се температурни коефицијенти два отпорника подударају, нема гаранције да ће остати на истој температури. Самозагревање које ствара унутрашња потрошња енергије или спољна топлота која се преноси из извора топлоте у систему може изазвати неусклађеност температуре, што резултира отпором. Чак и висококвалитетни отпорници намотани у жицу или метални филм могу имати температурне неусклађености од стотине (или чак хиљаде) ППМ / ℃. Очигледно решење је употреба два отпорника изграђена тако да су оба врло близу исте матрице, тако да се прецизност система у сваком тренутку добро подудара. Подлога може бити силиконска плоча која симулира прецизна интегрисана кола, стаклене плочице или метални филмови. Без обзира на подлогу, два отпорника се добро слажу током производње, имају добро усклађене температурне коефицијенте и налазе се на скоро истој температури (јер су тако близу).