แผงวงจรพิมพ์ ปัญหาและวิธีแก้ปัญหาที่ยาก

ถาม: ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้เกี่ยวกับตัวต้านทานแบบง่าย จะต้องมีตัวต้านทานบางตัวที่ประสิทธิภาพตรงตามที่เราคาดหวังไว้ เกิดอะไรขึ้นกับความต้านทานของส่วนของเส้นลวด?
ตอบ: สถานการณ์แตกต่างกัน สมมุติว่าคุณกำลังพูดถึงลวดหรือแถบนำไฟฟ้าในแผงวงจรพิมพ์ที่ทำหน้าที่เป็นลวด เนื่องจากยังไม่มีตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้อง ความยาวใดๆ ของลวดโลหะจึงทำหน้าที่เป็นตัวต้านทานความต้านทานต่ำ (ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำด้วย) และต้องคำนึงถึงผลกระทบต่อวงจรด้วย
2. Q: ความต้านทานของลวดทองแดงที่สั้นมากในวงจรสัญญาณขนาดเล็กต้องไม่สำคัญ?
A: ลองพิจารณา ADC 16 บิตที่มีอิมพีแดนซ์อินพุต 5k ω สมมติว่าสายสัญญาณไปยังอินพุต ADC ประกอบด้วยแผงวงจรพิมพ์ทั่วไป (หนา 0.038 มม. กว้าง 0.25 มม.) ที่มีแถบนำไฟฟ้ายาว 10 ซม. มีความต้านทานประมาณ 0.18 ω ที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งน้อยกว่า 5K ω ×2×2-16 เล็กน้อย และทำให้เกิดข้อผิดพลาดเกน 2LSB ที่ระดับเต็มที่
ปัญหานี้อาจบรรเทาลงได้หากวงนำไฟฟ้าของแผงวงจรพิมพ์ถูกทำให้กว้างขึ้น ในวงจรแอนะล็อก โดยทั่วไปแล้วควรใช้แบนด์ที่กว้างกว่า แต่ผู้ออกแบบ PCB จำนวนมาก (และนักออกแบบ PCB) ต้องการใช้ความกว้างแบนด์ขั้นต่ำเพื่ออำนวยความสะดวกในการจัดวางสายสัญญาณ โดยสรุป การคำนวณความต้านทานของแถบนำไฟฟ้าและวิเคราะห์บทบาทในปัญหาที่เป็นไปได้ทั้งหมดเป็นสิ่งสำคัญ
3. ถาม: ความจุของแถบนำไฟฟ้าที่มีความกว้างมากเกินไปและชั้นโลหะที่ด้านหลังของแผงวงจรพิมพ์มีปัญหาหรือไม่?
ตอบ: เป็นคำถามเล็กน้อย แม้ว่าความจุจากแถบนำไฟฟ้าของแผงวงจรพิมพ์จะมีความสำคัญ (แม้สำหรับวงจรความถี่ต่ำ ซึ่งสามารถสร้างการสั่นของปรสิตความถี่สูงได้) ก็ควรประมาณค่าไว้ก่อนเสมอ หากไม่เป็นเช่นนั้น แม้แต่แถบนำไฟฟ้าที่กว้างซึ่งสร้างความจุขนาดใหญ่ก็ไม่ใช่ปัญหา หากเกิดปัญหาขึ้น สามารถนำพื้นที่เล็กๆ ของระนาบพื้นออกได้เพื่อลดความจุลงสู่พื้นโลก
ถาม: ทิ้งคำถามนี้ไว้สักครู่! เครื่องบินกราวด์คืออะไร?
ตอบ: หากใช้ฟอยล์ทองแดงที่ด้านทั้งหมดของแผงวงจรพิมพ์ (หรือแผ่นวงจรพิมพ์หลายชั้นทั้งหมด) สำหรับการต่อสายดิน นี่คือสิ่งที่เรียกว่าระนาบการต่อลงดิน สายกราวด์ใด ๆ จะต้องจัดวางด้วยความต้านทานและการเหนี่ยวนำที่น้อยที่สุด หากระบบใช้ระนาบการต่อลงดิน จะมีโอกาสน้อยที่จะได้รับผลกระทบจากสัญญาณรบกวนของสายดิน นอกจากนี้ระนาบกราวด์ยังมีฟังก์ชั่นป้องกันและระบายความร้อน
ถาม: เครื่องบินกราวด์ที่กล่าวถึงในที่นี้เป็นเรื่องยากสำหรับผู้ผลิตใช่ไหม
ตอบ: มีปัญหาบางอย่างเมื่อ 20 ปีที่แล้ว ทุกวันนี้ เนื่องจากการปรับปรุงสารยึดประสาน ความต้านทานการบัดกรี และเทคโนโลยีการบัดกรีด้วยคลื่นในแผงวงจรพิมพ์ การผลิตระนาบกราวด์จึงกลายเป็นงานประจำของแผงวงจรพิมพ์
ถาม: คุณบอกว่าความเป็นไปได้ที่จะเปิดเผยระบบต่อเสียงกราวด์โดยใช้ระนาบกราวด์นั้นน้อยมาก ปัญหาเสียงกราวด์ที่ไม่สามารถแก้ไขได้คืออะไร?
ตอบ: วงจรพื้นฐานของระบบเสียงกราวด์มีระนาบกราวด์ แต่ความต้านทานและความเหนี่ยวนำไม่เป็นศูนย์ หากแหล่งจ่ายกระแสภายนอกแรงเพียงพอ จะส่งผลต่อสัญญาณที่แม่นยำ ปัญหานี้สามารถลดได้โดยการจัดวางแผงวงจรพิมพ์อย่างเหมาะสม เพื่อไม่ให้กระแสไฟสูงไหลไปยังบริเวณที่ส่งผลต่อแรงดันกราวด์ของสัญญาณที่มีความแม่นยำ บางครั้งการแตกหรือรอยแยกในระนาบพื้นสามารถเบี่ยงเบนกระแสกราวด์ขนาดใหญ่จากพื้นที่อ่อนไหวได้ แต่การเปลี่ยนระนาบกราวด์อย่างบังคับก็สามารถเปลี่ยนสัญญาณไปยังพื้นที่อ่อนไหวได้ ดังนั้นเทคนิคดังกล่าวจึงต้องใช้ด้วยความระมัดระวัง
ถาม: ฉันจะทราบได้อย่างไรว่าแรงดันตกคร่อมที่เกิดขึ้นบนระนาบที่ต่อลงดิน
ตอบ: โดยปกติแรงดันไฟฟ้าตกสามารถวัดได้ แต่บางครั้งการคำนวณสามารถทำได้ตามความต้านทานของวัสดุในระนาบกราวด์ (ทองแดง 1 ออนซ์ที่ระบุมีความต้านทาน 045m ω /□) และความยาวของ แถบนำไฟฟ้าที่กระแสไหลผ่านแม้ว่าการคำนวณจะซับซ้อน แรงดันไฟฟ้าในช่วงความถี่ dc ถึงความถี่ต่ำ (50kHz) สามารถวัดได้ด้วยเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือวัด เช่น AMP02 หรือ AD620
เกนของแอมพลิฟายเออร์ถูกตั้งไว้ที่ 1000 และเชื่อมต่อกับออสซิลโลสโคปด้วยความไว 5mV/div แอมพลิฟายเออร์อาจจ่ายจากแหล่งพลังงานเดียวกับวงจรที่ทดสอบ หรือจากแหล่งพลังงานของตัวเอง อย่างไรก็ตาม หากกราวด์ของเครื่องขยายเสียงแยกออกจากฐานกำลังของมัน ออสซิลโลสโคปจะต้องเชื่อมต่อกับฐานกำลังของวงจรไฟฟ้าที่ใช้
สามารถวัดความต้านทานระหว่างจุดสองจุดใดๆ บนระนาบพื้นได้โดยการเพิ่มโพรบไปที่จุดสองจุด การผสมผสานระหว่างเกนของแอมพลิฟายเออร์และความไวของออสซิลโลสโคปช่วยให้ความไวในการวัดสูงถึง5μV/div สัญญาณรบกวนจากแอมพลิฟายเออร์จะเพิ่มความกว้างของเส้นโค้งรูปคลื่นของออสซิลโลสโคปประมาณ 3μV แต่ก็ยังเป็นไปได้ที่จะได้ความละเอียดประมาณ 1μV ซึ่งเพียงพอที่จะแยกแยะสัญญาณรบกวนภาคพื้นดินส่วนใหญ่ได้อย่างมั่นใจถึง 80%
ถาม: สิ่งที่ควรสังเกตเกี่ยวกับวิธีการทดสอบข้างต้น
ตอบ: สนามแม่เหล็กไฟฟ้ากระแสสลับใดๆ จะทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าบนสายวัด ซึ่งสามารถทดสอบได้โดยการลัดวงจรของโพรบเข้าหากัน (และให้เส้นทางการโก่งตัวไปยังความต้านทานกราวด์) และสังเกตรูปคลื่นของออสซิลโลสโคป รูปคลื่น AC ที่สังเกตได้เกิดจากการเหนี่ยวนำและสามารถย่อให้เล็กสุดได้โดยการเปลี่ยนตำแหน่งของตะกั่วหรือพยายามกำจัดสนามแม่เหล็ก นอกจากนี้ จำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่ากราวด์ของแอมพลิฟายเออร์เชื่อมต่อกับกราวด์ของระบบ หากเครื่องขยายเสียงมีการเชื่อมต่อนี้ จะไม่มีเส้นทางกลับโก่งตัวและเครื่องขยายเสียงจะไม่ทำงาน การต่อสายดินควรตรวจสอบให้แน่ใจด้วยว่าวิธีการต่อลงดินที่ใช้ไม่รบกวนการกระจายกระแสของวงจรที่ทดสอบ
ถาม: จะวัดเสียงกราวด์ความถี่สูงได้อย่างไร
ตอบ: เป็นการยากที่จะวัดเสียงกราวด์ hf ด้วยแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดแบบไวด์แบนด์ที่เหมาะสม ดังนั้นโพรบแบบพาสซีฟ hf และ VHF จึงเหมาะสม ประกอบด้วยวงแหวนแม่เหล็กเฟอร์ไรต์ (เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 6 ~ 8 มม.) โดยมีขดลวดสองขดลวด 6 ~ 10 รอบ ในการสร้างหม้อแปลงแยกความถี่สูง ขดลวดตัวหนึ่งเชื่อมต่อกับอินพุตของเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมและอีกขดลวดหนึ่งเชื่อมต่อกับโพรบ
วิธีการทดสอบคล้ายกับกรณีความถี่ต่ำ แต่เครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมใช้เส้นโค้งลักษณะเฉพาะของแอมพลิจูด-ความถี่เพื่อแสดงสัญญาณรบกวน แตกต่างจากคุณสมบัติของโดเมนเวลา แหล่งกำเนิดเสียงสามารถแยกแยะได้ง่ายตามลักษณะความถี่ นอกจากนี้ ความไวของเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมจะสูงกว่าออสซิลโลสโคปแบบบรอดแบนด์อย่างน้อย 60 เดซิเบล
ถาม: การเหนี่ยวนำของลวดเป็นอย่างไร?
ตอบ: ไม่สามารถละเลยความเหนี่ยวนำของตัวนำและแถบนำไฟฟ้า PCB ที่ความถี่สูงได้ ในการคำนวณค่าความเหนี่ยวนำของเส้นลวดตรงและแถบนำไฟฟ้า จะมีการแนะนำการประมาณสองค่าที่นี่
ตัวอย่างเช่น แถบนำไฟฟ้ายาว 1 ซม. และกว้าง 0.25 มม. จะก่อให้เกิดความเหนี่ยวนำที่ 10nH
ความเหนี่ยวนำของตัวนำ = 0.0002LLN2LR-0.75 μH
ตัวอย่างเช่น ความเหนี่ยวนำของเส้นลวดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 1 มม. ยาว 0.5 ซม. คือ 7.26nh (2R=0.5mm,L=1cm)
ตัวเหนี่ยวนำแถบนำไฟฟ้า = 0.0002LLN2LW +H+0.2235W+HL+0.5μH
ตัวอย่างเช่น ความเหนี่ยวนำของแถบนำไฟฟ้าของแผงวงจรพิมพ์กว้าง 1 ซม. 0.25 มม. คือ 9.59nh (H=0.038mm,W=0.25mm,L=1cm)
อย่างไรก็ตาม ค่ารีแอกแตนซ์แบบอุปนัยมักจะน้อยกว่าฟลักซ์ปรสิตและแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำของวงจรคัทอินดัคทีฟมาก ต้องลดพื้นที่ลูปเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำเป็นสัดส่วนกับพื้นที่ลูป ซึ่งทำได้ง่ายเมื่อเดินสายเป็นแบบบิดคู่
ในแผงวงจรพิมพ์ เส้นทางนำและเส้นทางกลับควรอยู่ใกล้กัน การเปลี่ยนสายไฟเล็กๆ น้อยๆ มักจะลดผลกระทบ โปรดดูที่มา A ร่วมกับวงจรพลังงานต่ำ B
การลดพื้นที่ลูปหรือการเพิ่มระยะห่างระหว่างลูปคัปปลิ้งจะลดผลกระทบให้เหลือน้อยที่สุด พื้นที่วนรอบมักจะลดลงเหลือน้อยที่สุดและระยะห่างระหว่างลูปคัปปลิ้งจะถูกขยายให้ใหญ่สุด บางครั้งจำเป็นต้องมีการป้องกันด้วยแม่เหล็ก แต่มีราคาแพงและมีแนวโน้มที่จะเกิดความล้มเหลวทางกล ดังนั้นควรหลีกเลี่ยง
11. ถาม: ใน Q&A สำหรับ Application Engineers มักจะกล่าวถึงพฤติกรรมที่ไม่สมบูรณ์แบบของวงจรรวม ควรใช้ส่วนประกอบง่ายๆ เช่น ตัวต้านทานได้ง่ายขึ้น อธิบายความใกล้เคียงของส่วนประกอบในอุดมคติ
ตอบ: ฉันแค่ต้องการให้ตัวต้านทานเป็นอุปกรณ์ในอุดมคติ แต่กระบอกสั้นที่ตะกั่วของตัวต้านทานทำหน้าที่เหมือนกับตัวต้านทานบริสุทธิ์ทุกประการ ตัวต้านทานจริงยังประกอบด้วยส่วนประกอบความต้านทานจินตภาพ — ส่วนประกอบรีแอกแตนซ์ ตัวต้านทานส่วนใหญ่มีความจุน้อย (โดยทั่วไปคือ 1 ถึง 3pF) ควบคู่ไปกับความต้านทาน แม้ว่าตัวต้านทานแบบฟิล์มบางตัว การตัดร่องเกลียวในฟิล์มต้านทานของพวกมันส่วนใหญ่จะเป็นแบบอุปนัย แน่นอน ความต้านทานการพันของลวดโดยทั่วไปจะเป็นแบบอุปนัยมากกว่าแบบคาปาซิทีฟ (อย่างน้อยที่ความถี่ต่ำ) ท้ายที่สุด ตัวต้านทานแบบขดลวดทำจากขดลวด ดังนั้นจึงไม่ใช่เรื่องแปลกที่ตัวต้านทานแบบลวดพันจะมีค่าความเหนี่ยวนำหลายไมโครโอห์ม (μH) หรือหลายสิบไมโครโอห์ม หรือแม้แต่ที่เรียกว่าตัวต้านทานแบบลวดพันที่ “ไม่เหนี่ยวนำ” (โดยที่ขดลวดครึ่งหนึ่งพันตามเข็มนาฬิกาและอีกครึ่งหนึ่งทวนเข็มนาฬิกา) เพื่อให้การเหนี่ยวนำที่เกิดจากขดลวดทั้งสองส่วนจะหักล้างกัน) มีการเหนี่ยวนำที่เหลือ 1μH หรือมากกว่า สำหรับตัวต้านทานแผลลวดที่มีมูลค่าสูงที่สูงกว่าประมาณ 10k ω ตัวต้านทานที่เหลือส่วนใหญ่เป็นตัวเก็บประจุแบบคาปาซิทีฟมากกว่าแบบอุปนัย และความจุสูงถึง 10pF ซึ่งสูงกว่าตัวต้านทานแบบฟิล์มบางมาตรฐานหรือตัวต้านทานสังเคราะห์ ค่ารีแอกแตนซ์นี้ต้องพิจารณาอย่างรอบคอบเมื่อออกแบบวงจรความถี่สูงที่มีตัวต้านทาน
ถาม: แต่วงจรจำนวนมากที่คุณอธิบายใช้สำหรับการวัดที่แม่นยำที่ DC หรือความถี่ต่ำมาก ตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุแบบจรจัดไม่เกี่ยวข้องในการใช้งานเหล่านี้ใช่ไหม
ก. ใช่. เนื่องจากทรานซิสเตอร์ (ทั้งแบบแยกและภายในวงจรรวม) มีความกว้างของแถบกว้างมาก บางครั้งการแกว่งอาจเกิดขึ้นในแถบเมกะเฮิรตซ์นับร้อยหรือหลายพันเมื่อสิ้นสุดวงจรด้วยโหลดอุปนัย การดำเนินการออฟเซ็ตและการแก้ไขที่เกี่ยวข้องกับการสั่นมีผลเสียต่อความแม่นยำและความเสถียรของความถี่ต่ำ
ที่แย่กว่านั้น การสั่นอาจไม่สามารถมองเห็นได้บนออสซิลโลสโคปเนื่องจากแบนด์วิดท์ของออสซิลโลสโคปต่ำเกินไปเมื่อเทียบกับแบนด์วิดท์ของการแกว่งความถี่สูงที่กำลังวัด หรือเนื่องจากความจุประจุของโพรบออสซิลโลสโคปเพียงพอที่จะหยุดการสั่น วิธีที่ดีที่สุดคือการใช้เครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมย่านความถี่กว้าง (ความถี่ต่ำถึง 15GHz ด้านบน) เพื่อตรวจสอบระบบสำหรับการสั่นของปรสิต การตรวจสอบนี้ควรทำเมื่ออินพุตแตกต่างกันไปในช่วงไดนามิกทั้งหมด เนื่องจากบางครั้งการสั่นของปรสิตเกิดขึ้นในช่วงความถี่อินพุตที่แคบมาก
ถาม: มีคำถามเกี่ยวกับตัวต้านทานหรือไม่?
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.
ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิขนาดใหญ่อาจมีประโยชน์ในบางครั้ง (ตัวต้านทาน +3500ppm/°C สามารถใช้เพื่อชดเชย kT/ Q ในสมการลักษณะเฉพาะของไดโอดทางแยก ตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ใน Q&AS สำหรับวิศวกรแอปพลิเคชัน) แต่โดยทั่วไป ความต้านทานกับอุณหภูมิอาจเป็นสาเหตุของข้อผิดพลาดในวงจรความแม่นยำ
หากความแม่นยำของวงจรขึ้นอยู่กับการจับคู่ของตัวต้านทานสองตัวที่มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิต่างกัน ไม่ว่าอุณหภูมิหนึ่งจะเข้ากันได้ดีเพียงใด ตัวต้านทานนั้นก็ไม่ตรงกัน แม้ว่าค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของตัวต้านทานสองตัวจะตรงกัน แต่ก็ไม่มีการรับประกันว่าจะยังคงอยู่ที่อุณหภูมิเดียวกัน ความร้อนในตัวที่เกิดจากการใช้พลังงานภายในหรือความร้อนภายนอกที่ส่งมาจากแหล่งความร้อนในระบบ อาจทำให้อุณหภูมิไม่ตรงกัน ส่งผลให้เกิดความต้านทาน แม้แต่ตัวต้านทานแบบลวดพันหรือแบบฟิล์มโลหะคุณภาพสูงก็สามารถมีอุณหภูมิที่ไม่ตรงกันเป็นร้อย (หรือหลายพัน) PPM / ℃ ทางออกที่ชัดเจนคือการใช้ตัวต้านทานสองตัวที่สร้างขึ้นเพื่อให้ทั้งคู่อยู่ใกล้กับเมทริกซ์เดียวกันมาก เพื่อให้ความแม่นยำของระบบตรงกันตลอดเวลา ซับสเตรตสามารถเป็นแผ่นเวเฟอร์ซิลิกอนที่จำลองวงจรรวมที่แม่นยำ เวเฟอร์แก้ว หรือฟิล์มโลหะ ตัวต้านทานสองตัวจะเข้ากันได้ดีในระหว่างการผลิต มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิที่เข้ากันได้ดี และอยู่ที่อุณหภูมิเกือบเท่ากัน (เพราะอยู่ใกล้กันมาก) โดยไม่คำนึงถึงพื้นผิว