Kretskort svåra problem och lösningar

F: Som nämnts tidigare om enkla motstånd måste det finnas några motstånd vars prestanda är exakt vad vi förväntar oss. Vad händer med motståndet hos en sektion av tråd?
S: Situationen är annorlunda. Förmodligen syftar du på en tråd eller ett ledande band i ett kretskort som fungerar som en tråd. Eftersom supraledare vid rumstemperatur ännu inte är tillgängliga, fungerar alla metalltrådars längd som ett motstånd med lågt motstånd (som också fungerar som kondensator och induktor), och dess effekt på kretsen måste beaktas.
2. Fråga: Motståndet hos en mycket kort koppartråd i en liten signalkrets får inte vara viktigt?
A: låt oss överväga en 16-bitars ADC med en ingångsimpedans på 5k ω. Antag att signalledningen till ADC -ingången består av ett typiskt kretskort (0.038 mm tjockt, 0.25 mm brett) med ett ledande band på 10 cm i längd. Den har ett motstånd på cirka 0.18 ω vid rumstemperatur, vilket är lite mindre än 5K ω × 2 × 2-16 och ger ett förstärkningsfel på 2LSB vid full grad.
Detta problem kan förmodligen lindras om det ledande bandet på det PRINTED -kretskortet, som det redan är, görs bredare. I analoga kretsar är det i allmänhet att föredra att använda ett bredare band, men många PCB -konstruktörer (och PCB -konstruktörer) föredrar att använda en minsta bandbredd för att underlätta placering av signallinjer. Sammanfattningsvis är det viktigt att beräkna motståndet hos det ledande bandet och analysera dess roll i alla möjliga problem.
3. Fråga: Finns det ett problem med kapacitansen hos det ledande bandet med för stor bredd och metallskiktet på baksidan av det UTSKRIVNA kretskortet?
A: Det är en liten fråga. Även om kapacitans från det ledande bandet på PRINTED-kretskortet är viktigt (även för lågfrekventa kretsar, som kan producera högfrekventa parasitiska svängningar), bör det alltid uppskattas först. Om så inte är fallet är inte ens ett brett ledande band som bildar en stor kapacitans ett problem. Om problem uppstår kan ett litet område av markplanet tas bort för att minska kapacitansen till jorden.
F: Lämna denna fråga ett ögonblick! Vad är jordningsplanet?
A: Om kopparfolie på hela sidan av ett TRYCKT kretskort (eller hela mellanlagret på ett flerskikts kretskort) används för jordning, så är detta vad vi kallar ett jordningsplan. Varje jordkabel ska vara anordnad med minsta möjliga motstånd och induktans. Om ett system använder ett jordningsplan är det mindre sannolikt att det påverkas av jordljud. Dessutom har jordningsplanet också funktionen avskärmning och kylning
F: Det jordningsplan som nämns här är svårt för tillverkare, eller hur?
S: Det var några problem för 20 år sedan. Idag, på grund av förbättringen av bindemedel, lödmotstånd och våglödningsteknik i kretskort, har tillverkningen av jordningsplan blivit en rutinmässig drift av kretskort.
F: Du sa att möjligheten att utsätta ett system för markbrus med hjälp av ett markplan är mycket liten. Vad återstår av markbrusproblemet som inte kan lösas?
A: Grundkretsen för ett jordat brussystem har ett jordplan, men dess motstånd och induktans är inte noll – om den externa strömkällan är tillräckligt stark påverkar den exakta signaler. Detta problem kan minimeras genom att kretskorten är ordnade så att hög ström inte flödar till områden som påverkar jordspänningen för precisionssignaler. Ibland kan ett avbrott eller en slits i markplanet avleda en stor jordningsström från det känsliga området, men tvångsbyte av jordplanet kan också leda signalen till det känsliga området, så en sådan teknik måste användas med försiktighet.
F: Hur vet jag spänningsfallet som genereras på ett jordat plan?
A: vanligtvis kan spänningsfallet mätas, men ibland kan beräkningar göras baserat på materialets motstånd i jordningsplanet (nominellt 1 uns koppar har ett motstånd på 045m ω /□) och längden på ledande band genom vilket strömmen passerar, även om beräkningar kan vara komplicerade. Spänningar i dc till lågfrekvens (50 kHz) kan mätas med instrumentförstärkare som AMP02 eller AD620.
Förstärkarförstärkningen var inställd på 1000 och ansluten till ett oscilloskop med en känslighet på 5mV/div. Förstärkaren kan matas från samma strömkälla som kretsen som testas eller från sin egen strömkälla. Om förstärkarjordet separeras från dess effektbas måste oscilloskopet dock anslutas till effektbasen för den använda kretsen.
Motståndet mellan två punkter på markplanet kan mätas genom att lägga till en sond till de två punkterna. Kombinationen av förstärkarförstärkning och oscilloskopkänslighet gör att mätkänsligheten kan nå 5μV/div. Buller från förstärkaren kommer att öka bredden på oscilloskopets vågformskurva med cirka 3μV, men det är fortfarande möjligt att uppnå en upplösning på cirka 1μV – tillräckligt för att urskilja mest markbrus med upp till 80% konfidens.
F: Vad bör noteras om testmetoden ovan?
A: Alla alternerande magnetfält kommer att inducera en spänning på sondkabeln, som kan testas genom att kortsluta sonderna till varandra (och ge en avböjningsväg till markmotståndet) och observera oscilloskopets vågform. Den observerade AC -vågformen beror på induktion och kan minimeras genom att ändra ledningens position eller genom att försöka eliminera magnetfältet. Dessutom är det nödvändigt att se till att förstärkarens jordning är ansluten till systemets jordning. Om förstärkaren har denna anslutning finns det ingen avböjningsreturväg och förstärkaren fungerar inte. Jordning bör också säkerställa att jordningsmetoden som används inte stör den nuvarande fördelningen av kretsen som testas.
F: Hur mäter jag högfrekvent jordljud?
S: Det är svårt att mäta hf -markbrus med en lämplig bredbandsinstrumentförstärkare, så passiva hf- och VHF -sonder är lämpliga. Den består av en ferritmagnetisk ring (ytterdiameter på 6 ~ 8 mm) med två spolar på 6 ~ 10 varv vardera. För att bilda en högfrekvent isoleringstransformator är en spole ansluten till spektrumanalysatorns ingång och den andra till sonden.
Testmetoden liknar lågfrekvensfallet, men spektrumanalysatorn använder amplitud-frekvens karakteristiska kurvor för att representera brus. Till skillnad från tidsdomänegenskaper kan bruskällor enkelt urskiljas utifrån deras frekvensegenskaper. Dessutom är spektrumanalysatorns känslighet minst 60dB högre än bredbandsoscilloskopets.
F: Hur är det med en tråds induktans?
A: Induktansen hos ledare och PCB -ledande band kan inte ignoreras vid högre frekvenser. För att beräkna induktansen för en rak tråd och ett ledande band introduceras två approximationer här.
Till exempel kommer ett ledande band 1 cm långt och 0.25 mm brett att bilda en induktans på 10nH.
Ledarinduktans = 0.0002LLN2LR-0.75 μH
Till exempel är induktansen för en 1 cm lång 0.5 mm yttre diametertråd 7.26 nh (2R = 0.5 mm, L = 1 cm)
Ledande bandinduktans = 0.0002LLN2LW+H+0.2235W+HL+0.5μH
Till exempel är induktansen för det 1 cm breda 0.25 mm kretskortets ledande band 9.59 nh (H = 0.038 mm, W = 0.25 mm, L = 1 cm).
Emellertid är den induktiva reaktansen vanligtvis mycket mindre än det parasitiska flödet och den inducerade spänningen hos den induktiva kretsen. Loopområdet måste minimeras eftersom den inducerade spänningen är proportionell mot loopområdet. Detta är lätt att göra när kablarna är tvinnade.
I kretskort bör lednings- och returvägarna ligga nära varandra. Små kabelförändringar minimerar ofta påverkan, se källa A kopplad till lågenergislinga B.
Minska slingområdet eller öka avståndet mellan kopplingsöglorna minimerar effekten. Loopområdet reduceras vanligtvis till ett minimum och avståndet mellan kopplingsöglorna maximeras. Magnetisk skärmning krävs ibland, men är dyr och utsatt för mekaniskt fel, så undvik det.
11. F: I frågor och svar för applikationsingenjörer nämns ofta icke-idealiskt beteende hos integrerade kretsar. Det ska vara lättare att använda enkla komponenter som motstånd. Förklara närheten till idealkomponenter.
A: Jag vill bara att ett motstånd ska vara en idealisk enhet, men den korta cylindern i ett motstånds ledning fungerar precis som ett rent motstånd. Det faktiska motståndet innehåller också den imaginära motståndskomponenten – reaktanskomponenten. De flesta motstånd har en liten kapacitans (vanligtvis 1 till 3pF) parallellt med deras motstånd. Även om vissa filmmotstånd är skärande spårskärning i deras resistiva filmer mestadels induktivt, är deras induktiva reaktans tiotals eller hundratals nahen (nH). Naturligtvis är trådlindningsmotstånd i allmänhet induktiva snarare än kapacitiva (åtminstone vid låga frekvenser). Trådlindade motstånd är ju gjorda av spolar, så det är inte ovanligt att trådlindade motstånd har induktanser på flera mikrohm (μH) eller tiotals mikrohm, eller till och med så kallade “icke-induktiva” trådlindade motstånd (där hälften av spolarna lindas medurs och den andra halvan moturs). Så att induktansen som produceras av spolens två halvor avbryter varandra) har också 1μH eller mer restinduktans. För högvärdes trådlindade motstånd över cirka 10k ω är de återstående motstånden mestadels kapacitiva snarare än induktiva, och kapacitansen är upp till 10pF, högre än för standard tunnfilm eller syntetiska motstånd. Denna reaktans måste noga övervägas vid utformning av högfrekventa kretsar som innehåller motstånd.
F: Men många av de kretsar du beskriver används för exakta mätningar vid likström eller mycket låga frekvenser. Lösa induktorer och lösa kondensatorer är irrelevanta i dessa applikationer, eller hur?
A: ja. Eftersom transistorer (både diskreta och inom integrerade kretsar) har mycket breda bandbredder, kan svängningar ibland uppstå i hundratals eller tusentals megahertz -band när kretsen slutar med en induktiv belastning. Offset- och korrigeringsåtgärderna i samband med svängningar har dåliga effekter på lågfrekvent noggrannhet och stabilitet.
Värre är att svängningarna kanske inte syns på ett oscilloskop antingen för att oscilloskopets bandbredd är för låg jämfört med bandbredden för de högfrekventa svängningarna som mäts, eller för att oscilloskopprobens laddningskapacitet är tillräcklig för att stoppa svängningarna. Den bästa metoden är att använda ett brett band (låg frekvens till 15GHz ovan) spektrumanalysator för att kontrollera systemet för parasitiska svängningar. Denna kontroll bör göras när ingången varierar över hela det dynamiska intervallet, eftersom parasitiska svängningar ibland uppstår i ett mycket smalt område av ingångsbandet.
F: Finns det några frågor om motstånd?
A: Motståndet hos ett motstånd är inte fast, men varierar med temperaturen. Temperaturkoefficienten (TC) varierar från några få PPM /° C (miljondelar per grad Celsius) till flera tusen PPM /° C. De mest stabila motstånden är trådlindade eller metallfilmmotstånd, och de värsta är syntetiska kolfilmresistorer.
Stora temperaturkoefficienter kan ibland vara användbara (ett motstånd på +3500 ppm/ ° C kan användas för att kompensera för kT/ Q i kopplingsdiodens karakteristiska ekvation, som tidigare nämnts i Q&AS för Application Engineers). Men generellt kan motstånd med temperatur vara en felkälla i precisionskretsar.
Om kretsens precision beror på matchningen mellan två motstånd med olika temperaturkoefficienter, så matchar den inte vid den andra temperaturen. Även om temperaturkoefficienterna för två motstånd matchar, finns det ingen garanti för att de kommer att förbli vid samma temperatur. Självvärme som genereras av intern strömförbrukning eller extern värme som överförs från en värmekälla i systemet kan orsaka felaktiga temperaturer, vilket kan resultera i motstånd. Även högkvalitativa trådlindade eller metallfilmsmotstånd kan ha temperaturmatchningar på hundratals (eller till och med tusentals) PPM / ℃. Den uppenbara lösningen är att använda två motstånd byggda så att de båda ligger mycket nära samma matris, så att systemets noggrannhet matchas bra hela tiden. Underlaget kan vara kiselskivor som simulerar exakta integrerade kretsar, glasskivor eller metallfilmer. Oavsett substrat matchar de två motstånden bra under tillverkningen, har väl anpassade temperaturkoefficienter och har nästan samma temperatur (eftersom de är så nära).