印刷電路板 困難的問題和解決方案

問：正如前面提到的簡單電阻器，肯定有一些電阻器的性能正是我們所期望的。 一段導線的電阻會發生什麼變化？
答：情況不同。 據推測，您指的是印刷電路板中用作電線的電線或導電帶。 由於室溫超導體尚不可用，任何長度的金屬線都充當低阻電阻器（也充當電容器和電感器），必須考慮其對電路的影響。
2、問：小信號電路中很短的銅線的阻值一定不重要吧？
A：讓我們考慮一個輸入阻抗為 16k ω 的 5 位 ADC。 假設到 ADC 輸入的信號線由一塊典型的印刷電路板（0.038 毫米厚，​​0.25 毫米寬）組成，導電帶的長度為 10 厘米。 它在室溫下的電阻約為 0.18 ω，略小於 5K ω ×2×2-16，並在全度時產生 2LSB 的增益誤差。
可以說，如果印刷電路板的導電帶做得更寬，這個問題可能會得到緩解。 在模擬電路中，通常最好使用更寬的帶寬，但許多 PCB 設計人員（和 PCB 設計人員）更喜歡使用最小帶寬以方便信號線放置。 總之，重要的是計算導電帶的電阻並分析其在所有可能問題中的作用。
3、問：印製電路板背面金屬層寬度過大的導電帶電容有問題嗎？
答：這是一個小問題。 儘管來自印刷電路板導電帶的電容很重要（即使對於低頻電路，會產生高頻寄生振盪），但始終應首先對其進行估計。 如果不是這種情況，即使形成大電容的寬導電帶也不是問題。 如果出現問題，可以移除一小塊接地層以減少對地電容。
問：暫時擱置這個問題！ 什麼是接地平面？
答：如果在印刷電路板的整個側面（或多層印刷電路板的整個夾層）上使用銅箔接地，那麼這就是我們所說的接地平面。 任何接地線都應以盡可能小的電阻和電感佈置。 如果系統使用接地平面，則不太可能受到接地噪聲的影響。 此外，接地平面還具有屏蔽和散熱功能
Q：這裡提到的接地平面對廠家來說很難吧？
A：20年前有一些問題。 如今，由於印製電路板中粘合劑、阻焊和波峰焊技術的改進，接地面的製造已成為印製電路板的常規操作。
問：您說使用接地層將系統暴露於接地噪聲的可能性非常小。 地面噪聲問題還有哪些無法解決？
答：接地噪聲系統的基本電路有接地層，但其電阻和電感不為零——如果外部電流源足夠大，就會影響精確信號。 通過適當佈置印刷電路板，使大電流不會流到影響精密信號接地電壓的區域，可以最大限度地減少這個問題。 有時，接地平面的斷裂或裂縫可以從敏感區域轉移較大的接地電流，但強行改變接地平面也可以將信號轉移到敏感區域，因此必須謹慎使用這種技術。
問：我如何知道接地平面上產生的電壓降？
A：通常壓降是可以測得的，但有時也可以根據接地面中材料的電阻（標稱1盎司銅的電阻為045m ω /□）和接地面的長度來計算電流通過的導電帶，儘管計算可能很複雜。 直流到低頻 (50kHz) 範圍內的電壓可以使用儀表放大器（例如 AMP02 或 AD620）進行測量。
放大器增益設置為 1000，並連接到靈敏度為 5mV/div 的示波器。 放大器可以由與被測電路相同的電源供電，也可以由它自己的電源供電。 但是，如果放大器接地與其電源底座分開，則示波器必須連接到所用電源電路的電源底座。
地平面上任意兩點之間的電阻可以通過在兩點上加一個探頭來測量。 放大器增益和示波器靈敏度的結合使測量靈敏度達到5μV/div。 來自放大器的噪聲會使示波器波形曲線的寬度增加約 3μV，但仍有可能達到約 1μV 的分辨率——足以以高達 80% 的置信度區分大多數接地噪聲。
Q：以上測試方法需要注意什麼？
答：任何交變磁場都會在探頭引線上感應出電壓，可以通過將探頭彼此短路（並提供接地電阻的偏轉路徑）並觀察示波器波形來進行測試。 觀察到的交流波形是由感應引起的，可以通過改變導線的位置或嘗試消除磁場來最小化。 此外，必須確保放大器的接地與系統的接地相連。 如果放大器有這種連接，則沒有偏轉返迴路徑，放大器將無法工作。 接地還應確保所使用的接地方法不會干擾被測電路的電流分佈。
問：如何測量高頻接地噪聲？
答：用合適的寬帶儀表放大器很難測量高頻地面噪聲，因此高頻和甚高頻無源探頭是合適的。 它由一個鐵氧體磁環（外徑6～8mm）和兩個6～10匝線圈組成。 為了形成高頻隔離變壓器，一個線圈連接到頻譜分析儀輸入端，另一個連接到探頭。
測試方法與低頻情況類似，但頻譜分析儀使用幅頻特性曲線來表示噪聲。 與時域特性不同，噪聲源可以根據其頻率特性輕鬆區分。 此外，頻譜分析儀的靈敏度至少比寬帶示波器高60dB。
問：電線的電感量是多少？
A：導體和PCB導電帶的電感在較高頻率下是不可忽視的。 為了計算直線和導電帶的電感，這裡引入兩個近似值。
例如，1cm 長、0.25mm 寬的導電帶將形成 10nH 的電感。
導體電感 = 0.0002LLN2LR-0.75 μH
例如1cm長0.5mm外徑導線的電感為7.26nh（2R=0.5mm,L=1cm）
導帶電感 = 0.0002LLN2LW +H+0.2235W+HL+0.5μH
例如1cm寬0.25mm印製電路板導電帶的電感為9.59nh（H=0.038mm,W=0.25mm,L=1cm）。
然而，感抗通常比被切斷的感性電路的寄生通量和感應電壓小得多。 迴路面積必須最小化，因為感應電壓與迴路面積成正比。 當接線是雙絞線時，這很容易做到。
在印刷電路板中，引線和返迴路徑應該靠近在一起。 小的接線變化通常可以最大限度地減少影響，參見源 A 耦合到低能量迴路 B。
減少迴路面積或增加耦合迴路之間的距離將使影響最小化。 迴路面積通常被減小到最小，而耦合迴路之間的距離被最大化。 有時需要磁屏蔽，但價格昂貴且容易發生機械故障，因此應避免使用。
11. 問：在應用工程師問答中，經常提到集成電路的非理想行為。 使用電阻等簡單元件應該更容易。 解釋理想元件的接近度。
答：我只是希望電阻是一個理想的器件，但是電阻引線上的短圓柱體的作用與純電阻完全一樣。 實際電阻器還包含虛電阻分量 — 電抗分量。 大多數電阻器都有一個與其電阻並聯的小電容（通常為 1 到 3pF）。 雖然一些薄膜電阻器，其電阻薄膜中的螺旋槽切割大多是感性的，但它們的感抗為數十或數百納亨（nH）。 當然，繞線電阻通常是電感性的而不是電容性的（至少在低頻時）。 畢竟線繞電阻器是由線圈構成的，所以線繞電阻器有幾微歐（μH）或幾十微歐的電感量，甚至所謂的“無感”線繞電阻器的情況並不少見（其中一半線圈順時針纏繞，另一半逆時針纏繞）。 使兩半線圈產生的電感相互抵消）也有1μH以上的殘餘電感。 對於大約10k ω以上的高值繞線電阻，其餘電阻多為電容性而非電感性，電容高達10pF，高於標準薄膜或合成電阻。 在設計包含電阻器的高頻電路時，必須仔細考慮該電抗。
問：但是您描述的許多電路都用於在直流或極低頻率下進行精確測量。 雜散電感器和雜散電容器在這些應用中無關緊要，對嗎？
答：是的。 由於晶體管（分立的和集成電路內的）具有非常寬的帶寬，當電路以感性負載結束時，有時會在數百或數千兆赫頻帶內發生振盪。 與振盪相關的偏移和整流動作對低頻精度和穩定性有不良影響。
更糟糕的是，由於示波器的帶寬與被測高頻振蕩的帶寬相比太低，或者示波器探頭的充電容量足以阻止振盪，因此在示波器上可能看不到振盪。 最好的方法是使用寬帶（低頻至15GHz以上）頻譜分析儀檢查系統是否存在寄生振盪。 當輸入在整個動態範圍內變化時應進行此檢查，因為寄生振盪有時會發生在輸入頻帶的非常窄的範圍內。
問：有關於電阻的問題嗎？
答：電阻的阻值不是固定的，而是隨溫度變化的。 溫度係數 (TC) 從幾 PPM /°C（百萬分之一每攝氏度）到幾千 PPM /°C 不等。 最穩定的電阻是繞線或金屬膜電阻，最差的是合成碳膜電阻。
大的溫度係數有時會很有用（+3500ppm/°C 電阻器可用於補償結二極管特性方程中的 kT/Q，如前面的應用工程師問答中所述）。 但一般來說，電阻隨溫度變化可能是精密電路中的誤差來源。
如果電路的精度取決於溫度係數不同的兩個電阻的匹配，那麼無論在一個溫度下匹配得有多好，在另一個溫度下都不會匹配。 即使兩個電阻的溫度係數匹配，也不能保證它們會保持相同的溫度。 內部功耗產生的自熱或系統中熱源傳遞的外部熱量會導致溫度不匹配，從而導致電阻。 即使是高質量的繞線或金屬膜電阻器也可能存在數百（甚至數千）PPM/℃的溫度失配。 顯而易見的解決方案是使用兩個內置的電阻器，使它們都非常接近同一個矩陣，以便系統的精度始終匹配良好。 基板可以是模擬精密集成電路的矽晶片、玻璃晶片或金屬薄膜。 無論基板如何，這兩個電阻器在製造過程中都匹配良好，具有匹配良好的溫度係數，並且處於幾乎相同的溫度（因為它們非常接近）。