Baskılı devre kartı zor problemler ve çözümleri

S: Basit dirençler hakkında daha önce bahsedildiği gibi, performansı tam olarak beklediğimiz gibi olan bazı dirençler olmalıdır. Bir tel bölümünün direncine ne olur?
C: Durum farklı. Muhtemelen, bir baskılı devre kartındaki bir tel gibi davranan bir tel veya iletken bir banttan bahsediyorsunuz. Oda sıcaklığında süper iletkenler henüz mevcut olmadığından, herhangi bir uzunluktaki metal tel, düşük dirençli bir direnç (aynı zamanda bir kapasitör ve indüktör görevi görür) olarak işlev görür ve devre üzerindeki etkisi dikkate alınmalıdır.
2. S: Küçük bir sinyal devresindeki çok kısa bakır telin direnci önemli olmamalı mı?
C: 16k ω giriş empedansına sahip 5 bitlik bir ADC düşünelim. ADC girişine giden sinyal hattının, iletken bant uzunluğu 0.038 cm olan tipik bir baskılı devre kartından (0.25 mm kalınlık, 10 mm genişlik) oluştuğunu varsayın. 0.18K ×5×2-2’dan biraz daha az olan oda sıcaklığında yaklaşık 16 ω dirence sahiptir ve tam derecede 2LSB kazanç hatası üretir.
Muhtemelen, zaten olduğu gibi, BASKILI devre kartının iletken bandı daha geniş yapılırsa bu sorun hafifletilebilir. Analog devrelerde genellikle daha geniş bir bant kullanılması tercih edilir, ancak birçok PCB tasarımcısı (ve PCB tasarımcısı) sinyal hattı yerleşimini kolaylaştırmak için minimum bant genişliği kullanmayı tercih eder. Sonuç olarak, iletken bandın direncini hesaplamak ve olası tüm problemlerdeki rolünü analiz etmek önemlidir.
3. S: BASKILI devre kartının arkasındaki metal tabaka ve çok geniş genişliğe sahip iletken bandın kapasitansı ile ilgili bir sorun mu var?
C: Bu küçük bir soru. BASILI devre kartının iletken bandından gelen kapasitans önemli olsa da (yüksek frekanslı parazit salınımlar üretebilen düşük frekanslı devreler için bile), her zaman önce tahmin edilmelidir. Durum böyle değilse, büyük bir kapasitans oluşturan geniş bir iletken bant bile sorun değildir. Sorun ortaya çıkarsa, kapasitansı azaltmak için yer düzleminin küçük bir alanı çıkarılabilir.
S: Bu soruyu bir an için bırakın! Topraklama uçağı nedir?
C: BASILI devre kartının (veya çok katmanlı baskılı devre kartının tüm ara katmanının) tüm tarafında bakır folyo topraklama için kullanılıyorsa, buna topraklama düzlemi diyoruz. Herhangi bir topraklama kablosu, mümkün olan en küçük direnç ve endüktans ile düzenlenecektir. Bir sistem bir topraklama düzlemi kullanıyorsa, topraklama gürültüsünden etkilenme olasılığı daha düşüktür. Ek olarak, topraklama düzlemi ayrıca ekranlama ve soğutma işlevine de sahiptir.
S: Burada bahsedilen topraklama düzlemi üreticiler için zor, değil mi?
C: 20 yıl önce bazı sorunlar vardı. Günümüzde baskılı devre kartlarında bağlayıcı, lehim direnci ve dalga lehimleme teknolojisinin gelişmesi nedeniyle topraklama düzlemi imalatı baskılı devre kartlarının rutin bir işlemi haline gelmiştir.
S: Bir yer düzlemi kullanarak bir sistemi yer gürültüsüne maruz bırakma olasılığının çok küçük olduğunu söylediniz. Çözülemeyen yer gürültüsü probleminden geriye ne kaldı?
C: Topraklanmış bir gürültü sisteminin temel devresinde bir toprak düzlemi vardır, ancak direnci ve endüktansı sıfır değildir – dış akım kaynağı yeterince güçlüyse, kesin sinyalleri etkileyecektir. Bu sorun, baskılı devre kartlarının hassas sinyallerin topraklama voltajını etkileyen alanlara yüksek akımın akmaması için uygun şekilde düzenlenmesiyle en aza indirilebilir. Bazen yer düzlemindeki bir kırılma veya yarık, hassas alandan büyük bir topraklama akımını yönlendirebilir, ancak yer düzlemini zorla değiştirmek de sinyali hassas alana yönlendirebilir, bu nedenle böyle bir teknik dikkatle kullanılmalıdır.
S: Topraklanmış bir düzlemde üretilen voltaj düşüşünü nasıl bilebilirim?
A: genellikle voltaj düşüşü ölçülebilir, ancak bazen malzemenin topraklama düzlemindeki direncine (nominal 1 ons bakırın 045m ω/□ dirence sahiptir) ve uzunluğuna göre hesaplamalar yapılabilir. Hesaplamalar karmaşık olsa da, akımın içinden geçtiği iletken bant. DC ila düşük frekans (50kHz) aralığındaki voltajlar, AMP02 veya AD620 gibi enstrümantasyon amplifikatörleri ile ölçülebilir.
Amplifikatör kazancı 1000’e ayarlandı ve 5mV/böl hassasiyetinde bir osiloskopa bağlandı. Amplifikatör, test edilen devre ile aynı güç kaynağından veya kendi güç kaynağından beslenebilir. Ancak, amplifikatör topraklaması güç tabanından ayrılmışsa, osiloskop kullanılan güç devresinin güç tabanına bağlanmalıdır.
Yer düzleminde herhangi iki nokta arasındaki direnç, iki noktaya bir sonda eklenerek ölçülebilir. Amplifikatör kazancı ve osiloskop hassasiyetinin kombinasyonu, ölçüm hassasiyetinin 5μV/div değerine ulaşmasını sağlar. Amplifikatörden gelen gürültü, osiloskop dalga biçimi eğrisinin genişliğini yaklaşık 3μV artıracaktır, ancak yine de yaklaşık 1μV’lik bir çözünürlük elde etmek mümkündür – çoğu yer gürültüsünü %80’e kadar güvenle ayırt etmeye yetecek kadar.
S: Yukarıdaki test yöntemi hakkında nelere dikkat edilmelidir?
C: Herhangi bir alternatif manyetik alan, probları birbirine kısa devre yaparak (ve toprak direncine bir sapma yolu sağlayarak) ve osiloskop dalga formunu gözlemleyerek test edilebilen prob kablosu üzerinde bir voltaj indükleyecektir. Gözlenen AC dalga formu indüksiyondan kaynaklanır ve lead’in konumunu değiştirerek veya manyetik alanı ortadan kaldırmaya çalışarak en aza indirilebilir. Ayrıca amplifikatörün topraklamasının sistemin topraklamasına bağlı olduğundan emin olmak gerekir. Amplifikatörde bu bağlantı varsa, sapma dönüş yolu yoktur ve amplifikatör çalışmayacaktır. Topraklama ayrıca, kullanılan topraklama yönteminin test edilen devrenin akım dağılımına müdahale etmemesini sağlamalıdır.
S: Yüksek frekanslı topraklama gürültüsü nasıl ölçülür?
C: Uygun bir geniş bant enstrümantasyon amplifikatörü ile hf zemin gürültüsünü ölçmek zordur, bu nedenle hf ve VHF pasif problar uygundur. Her biri 6 ~ 8 turluk iki bobine sahip bir ferrit manyetik halkadan (dış çapı 6 ~ 10 mm) oluşur. Yüksek frekanslı bir izolasyon transformatörü oluşturmak için bir bobin spektrum analizör girişine ve diğeri proba bağlanır.
Test yöntemi, düşük frekans durumuna benzer, ancak spektrum analizörü, gürültüyü temsil etmek için genlik-frekans karakteristik eğrilerini kullanır. Zaman alanı özelliklerinden farklı olarak, gürültü kaynakları frekans özelliklerine göre kolayca ayırt edilebilir. Ek olarak, spektrum analizörünün duyarlılığı, geniş bant osiloskoptan en az 60dB daha yüksektir.
S: Bir telin endüktansı ne olacak?
C: İletkenlerin ve PCB iletken bantlarının endüktansı, daha yüksek frekanslarda göz ardı edilemez. Düz bir telin ve iletken bir bandın endüktansını hesaplamak için burada iki yaklaşım sunulmuştur.
Örneğin, 1 cm uzunluğunda ve 0.25 mm genişliğinde bir iletken bant, 10nH’lik bir endüktans oluşturacaktır.
İletken endüktansı = 0.0002LLN2LR-0.75 μH
Örneğin, 1 cm uzunluğunda 0.5 mm dış çaplı bir telin endüktansı 7.26 nh’dir (2R=0.5 mm, L=1 cm)
İletken bant endüktansı = 0.0002LLN2LW +H+0.2235W+HL+0.5μH
Örneğin, 1cm genişliğinde 0.25mm baskılı devre kartı iletken bandının endüktansı 9.59nh’dir (H=0.038mm,W=0.25mm,L=1cm).
Bununla birlikte, endüktif reaktans, genellikle kesik endüktif devrenin parazit akı ve indüklenen voltajından çok daha küçüktür. Endüklenen voltaj döngü alanıyla orantılı olduğundan döngü alanı en aza indirilmelidir. Kablolama çift bükümlü olduğunda bunu yapmak kolaydır.
Baskılı devre kartlarında kurşun ve dönüş yolları birbirine yakın olmalıdır. Küçük kablolama değişiklikleri genellikle etkiyi en aza indirir, bkz. kaynak A, düşük enerji döngüsü B ile birleştirilir.
Döngü alanını azaltmak veya bağlantı halkaları arasındaki mesafeyi artırmak, etkiyi en aza indirecektir. Döngü alanı genellikle minimuma indirilir ve bağlantı döngüleri arasındaki mesafe maksimuma çıkarılır. Manyetik ekranlama bazen gereklidir, ancak pahalıdır ve mekanik arızaya yatkındır, bu nedenle bundan kaçının.
11. S: Uygulama Mühendisleri için Soru-Cevap bölümünde, entegre devrelerin ideal olmayan davranışından sıklıkla bahsedilir. Dirençler gibi basit bileşenleri kullanmak daha kolay olmalıdır. İdeal bileşenlerin yakınlığını açıklayın.
C: Bir direncin ideal bir cihaz olmasını istiyorum, ancak direncin başındaki kısa silindir tam olarak saf bir direnç gibi hareket ediyor. Gerçek direnç aynı zamanda hayali direnç bileşenini de içerir – reaktans bileşeni. Çoğu direnç, dirençlerine paralel olarak küçük bir kapasitansa (tipik olarak 1 ila 3pF) sahiptir. Bazı film dirençleri, dirençli filmlerinde helisel oluk kesme çoğunlukla endüktif olmasına rağmen, endüktif reaktansları onlarca veya yüzlerce nahen (nH)’dir. Tabii ki, tel sargılı dirençler genellikle kapasitiften ziyade endüktiftir (en azından düşük frekanslarda). Sonuçta, tel sargılı dirençler bobinlerden yapılmıştır, bu nedenle tel sargılı dirençlerin birkaç mikrohm (μH) veya onlarca mikrohm veya hatta “endüktif olmayan” tel sargılı dirençler olarak adlandırılan endüktansa sahip olması nadir değildir. (burada bobinlerin yarısı saat yönünde ve diğer yarısı saat yönünün tersine sarılır). Böylece bobinin iki yarısı tarafından üretilen endüktans birbirini iptal eder) ayrıca 1μH veya daha fazla artık endüktansa sahiptir. Yaklaşık 10k ω üzerindeki yüksek değerli tel sargılı dirençler için, kalan dirençler endüktif olmaktan ziyade çoğunlukla kapasitiftir ve kapasitans, standart ince film veya sentetik dirençlerden daha yüksek olan 10pF’ye kadardır. Dirençler içeren yüksek frekanslı devreler tasarlanırken bu reaktans dikkatle düşünülmelidir.
S: Ancak tanımladığınız devrelerin çoğu DC veya çok düşük frekanslarda hassas ölçümler için kullanılıyor. Kaçak indüktörler ve kaçak kapasitörler bu uygulamalarda önemsizdir, değil mi?
C: evet. Transistörler (hem ayrık hem de tümleşik devreler içinde) çok geniş bant genişliklerine sahip olduklarından, devre bir endüktif yükle sona erdiğinde bazen yüzlerce veya binlerce megahertz bandında salınımlar meydana gelebilir. Salınımlarla ilişkili ofset ve düzeltme eylemleri, düşük frekans doğruluğu ve kararlılığı üzerinde kötü etkilere sahiptir.
Daha da kötüsü, osiloskopun bant genişliği, ölçülen yüksek frekanslı salınımların bant genişliğine kıyasla çok düşük olduğundan veya osiloskop probunun şarj kapasitesi salınımları durdurmak için yeterli olduğundan, salınımlar bir osiloskopta görünmeyebilir. En iyi yöntem, sistemi parazit salınımlar için kontrol etmek için geniş bantlı (düşük frekans – 1~5GHz üzeri) bir spektrum analizörü kullanmaktır. Bu kontrol, giriş tüm dinamik aralık boyunca değiştiğinde yapılmalıdır, çünkü parazitik salınımlar bazen giriş bandının çok dar bir aralığında meydana gelir.
S: Dirençler hakkında herhangi bir sorunuz var mı?
C: Bir direncin direnci sabit değildir, ancak sıcaklığa göre değişir. Sıcaklık katsayısı (TC) birkaç PPM /°C’den (santigrat derece başına milyonda biri) birkaç bin PPM /°C’ye kadar değişir. En kararlı dirençler tel sargılı veya metal film dirençlerdir ve en kötüsü sentetik karbon film dirençleridir.
Büyük sıcaklık katsayıları bazen yararlı olabilir (daha önce Uygulama Mühendisleri için Soru ve Cevap bölümünde belirtildiği gibi, bağlantı diyotu karakteristik denkleminde kT/ Q’yu telafi etmek için +3500ppm/°C’lik bir direnç kullanılabilir). Ancak genel olarak sıcaklıkla direnç, hassas devrelerde bir hata kaynağı olabilir.
Devrenin kesinliği, farklı sıcaklık katsayılarına sahip iki direncin eşleşmesine bağlıysa, bir sıcaklıkta ne kadar iyi eşleşirse uyuşsun, diğerinde eşleşmeyecektir. İki direncin sıcaklık katsayıları uyuşsa bile, aynı sıcaklıkta kalacaklarının garantisi yoktur. Dahili güç tüketimi veya sistemdeki bir ısı kaynağından iletilen harici ısı tarafından üretilen kendi kendine ısı, dirençle sonuçlanan sıcaklık uyumsuzluklarına neden olabilir. Yüksek kaliteli tel sargılı veya metal film dirençlerinde bile yüzlerce (hatta binlerce) PPM / ℃ sıcaklık uyumsuzlukları olabilir. Açık çözüm, her ikisi de aynı matrise çok yakın olacak şekilde inşa edilmiş iki direnç kullanmaktır, böylece sistemin doğruluğu her zaman iyi bir şekilde eşleştirilir. Substrat, hassas entegre devreleri, cam levhaları veya metal filmleri simüle eden silikon levhalar olabilir. Alt tabakadan bağımsız olarak, iki direnç üretim sırasında iyi bir şekilde eşleşir, iyi uyumlu sıcaklık katsayılarına sahiptir ve neredeyse aynı sıcaklıktadır (çünkü çok yakındırlar).