Друкована плата складні проблеми та рішення

Q: As mentioned earlier about simple resistors, there must be some resistors whose performance is exactly what we expect. What happens to the resistance of a section of wire?
В: Ситуація інша. Імовірно, ви маєте на увазі провід або провідну смугу на друкованій платі, яка діє як провід. Оскільки надпровідників кімнатної температури ще немає, будь-яка довжина металевого дроту діє як резистор з низьким опором (який також діє як конденсатор та індуктор), і його вплив на схему слід враховувати.
2. З: Опір дуже короткого мідного проводу в малій сигнальній ланцюзі не повинен бути важливим?
В: Давайте розглянемо 16-розрядний АЦП з вхідним опором 5k ω. Припустимо, що лінія сигналу до входу АЦП складається з типової друкованої плати (товщиною 0.038 мм, шириною 0.25 мм) з провідною смугою довжиною 10 см. Він має опір приблизно 0.18 ω при кімнатній температурі, що трохи менше 5K ω × 2 × 2-16 і дає похибку посилення 2LSB при повному ступені.
Можливо, цю проблему можна пом’якшити, якщо, як це вже є, провідна смуга друкованої плати збільшена. В аналогових схемах, як правило, краще використовувати більш широку смугу, але багато дизайнерів друкованих плат (і дизайнерів друкованих плат) вважають за краще використовувати мінімальну ширину смуги для полегшення розміщення лінії сигналу. На закінчення важливо розрахувати опір провідної зони та проаналізувати її роль у всіх можливих проблемах.
3. З: Чи є проблема з ємністю провідної смуги з надто великою шириною та металевим шаром на задній панелі друкованої плати?
В: Це невелике питання. Хоча ємність з провідної смуги друкованої плати є важливою (навіть для низькочастотних схем, які можуть створювати високочастотні паразитні коливання), її завжди слід оцінювати спочатку. Якщо це не так, навіть широка провідна смуга, що утворює велику ємність, не є проблемою. Якщо виникають проблеми, невелику ділянку площини заземлення можна видалити, щоб зменшити ємність до землі.
З: Залиште це питання на мить! Що таке площина заземлення?
В: Якщо для заземлення використовується мідна фольга з усієї сторони друкованої плати (або всього прошарку багатошарової друкованої плати), то це те, що ми називаємо площиною заземлення. Будь -який провід заземлення повинен бути розміщений з найменшим можливим опором та індуктивністю. Якщо система використовує площину заземлення, на неї менше впливає шум заземлення. Крім того, площина заземлення також має функцію екранування та охолодження
З: Згаданий тут літак заземлення важкий для виробників, чи не так?
В: 20 років тому були деякі проблеми. Сьогодні, завдяки вдосконаленню в’яжучого, опору припою та технології хвильового паяння у друкованих платах, виготовлення площини заземлення стало звичайною операцією друкованих плат.
З: Ви сказали, що можливість піддавання системи шуму заземлення за допомогою площини заземлення дуже мала. Що залишається від проблеми шуму землі, яку неможливо вирішити?
В: Основна схема заземленої шумової системи має площину заземлення, але її опір та індуктивність не дорівнюють нулю – якщо зовнішнє джерело струму досить сильне, це вплине на точні сигнали. Цю проблему можна мінімізувати, належним чином розташувавши друковані плати так, щоб високий струм не надходив до областей, які впливають на напругу заземлення точних сигналів. Іноді розрив або проріз у площині заземлення може відвернути великий струм заземлення від чутливої ​​зони, але примусова зміна площини заземлення також може перенаправити сигнал у чутливу зону, тому такий прийом слід використовувати обережно.
З: Як я можу дізнатися падіння напруги, що генерується на заземленій площині?
В: зазвичай падіння напруги можна виміряти, але іноді можна зробити розрахунки на основі опору матеріалу в площині заземлення (номінальна мідь 1 унція має опір 045 м ω /□) та довжини провідна смуга, через яку проходить струм, хоча розрахунки можуть бути складними. Напруги в діапазоні постійного струму до низькочастотних (50 кГц) можна виміряти за допомогою інструментальних підсилювачів, таких як AMP02 або AD620.
Коефіцієнт посилення підсилювача був встановлений на рівні 1000 і підключений до осцилографа з чутливістю 5 мВ/поділ. Підсилювач може живитися від того ж джерела живлення, що і перевіряється схема, або від власного джерела живлення. Однак, якщо маса підсилювача відокремлена від його бази живлення, осцилограф повинен бути підключений до основи живлення використовуваної ланцюга живлення.
Опір між будь -якими двома точками на площині заземлення можна виміряти, додавши зонд до двох точок. Поєднання підсилювача підсилювача та чутливості осцилографа дозволяє чутливості вимірювання досягти 5мкВ/поділ. Шум від підсилювача збільшить ширину кривої осцилографа приблизно на 3 мкВ, але все ж можна досягти роздільної здатності приблизно 1 мкВ – достатньо, щоб з 80% вірогідністю відрізнити більшість заземлених шумів.
З: Що слід зазначити у вищенаведеному методі випробування?
В: Будь-яке змінне магнітне поле буде викликати напругу на виводі зонда, що може бути перевірено шляхом короткого замикання щупів між собою (і забезпечення шляху прогину до опору землі) та спостереження за формою осцилографа. Спостережувана форма хвилі змінного струму обумовлена ​​індукцією і її можна мінімізувати, змінивши положення провідника або намагаючись усунути магнітне поле. Крім того, необхідно стежити за тим, щоб заземлення підсилювача було підключено до заземлення системи. Якщо підсилювач має таке з’єднання, немає зворотного шляху відхилення, і підсилювач не працюватиме. Заземлення також повинно гарантувати, що використаний метод заземлення не перешкоджає розподілу струму у випробуваній ланцюзі.
Питання: Як виміряти високочастотний шум заземлення?
Відповідь: Важко виміряти шум землі на ВЧ за допомогою відповідного широкосмугового інструментального підсилювача, тому пасивні зонди ВЧ та УКХ підходять. Він складається з феритового магнітного кільця (зовнішній діаметр 6 ~ 8 мм) з двома котушками по 6 ~ 10 витків кожна. Для формування високочастотного ізолюючого трансформатора одну котушку підключають до входу аналізатора спектра, а іншу-до датчика.
Метод випробування схожий на низькочастотний випадок, але аналізатор спектра використовує амплітудно-частотні характеристичні криві для представлення шуму. На відміну від властивостей часової області, джерела шуму можна легко розрізнити за їх частотними характеристиками. Крім того, чутливість аналізатора спектра щонайменше на 60 дБ вище, ніж у широкосмугового осцилографа.
Питання: А як щодо індуктивності дроту?
В: Індуктивність провідників і провідних смуг друкованої плати не можна ігнорувати на більш високих частотах. Для того, щоб обчислити індуктивність прямого дроту та провідної смуги, тут введено два наближення.
Наприклад, провідна смуга довжиною 1 см і шириною 0.25 мм формує індуктивність 10 нГн.
Conductor inductance = 0.0002LLN2LR-0.75 μH
Наприклад, індуктивність дроту зовнішнього діаметра 1 мм довжиною 0.5 см становить 7.26 нг (2R = 0.5 мм, L = 1 см)
Індуктивність провідної смуги = 0.0002LLN2LW+H+0.2235W+HL+0.5μH
Наприклад, індуктивність провідної смуги друкованої плати шириною 1 см шириною 0.25 см становить 9.59 нг (В = 0.038 мм, Ш = 0.25 мм, L = 1 см).
Однак індуктивний опір зазвичай набагато менший, ніж паразитний потік та індукована напруга розрізаного індуктивного контуру. Площа контуру повинна бути мінімізована, оскільки індукована напруга пропорційна площі петлі. Це легко зробити, коли проводка є крученою парою.
У друкованих платах провідний і зворотний шляхи повинні бути близько один до одного. Невеликі зміни проводки часто зводять до мінімуму вплив, див. Джерело А, з’єднане з петлею низької енергії В.
Зменшення площі петлі або збільшення відстані між петлями зчеплення зведе до мінімуму ефект. Площа петлі зазвичай зменшується до мінімуму, а відстань між петлями з’єднання збільшується. Іноді потрібне магнітне екранування, але воно дороге і схильне до механічних пошкоджень, тому уникайте цього.
11. З: У питаннях і відповіді для інженерів-прикладників часто згадується неідеальна поведінка інтегральних схем. Користуватися простими компонентами, такими як резистори, має бути простіше. Поясніть близькість ідеальних компонентів.
Відповідь: Я просто хочу, щоб резистор був ідеальним пристроєм, але короткий циліндр на початку резистора діє точно як чистий резистор. Фактичний резистор також містить уявну складову опору – складову реактивного опору. Більшість резисторів мають невелику ємність (зазвичай від 1 до 3 пФ) паралельно з їх опором. Хоча деякі плівкові резистори, різання гвинтових канавок у їх резистивних плівках переважно індуктивні, їх індуктивний опір становить десятки або сотні нахенів (нГн). Звичайно, опір намотування проводів, як правило, є індуктивним, а не ємнісним (принаймні на низьких частотах). Зрештою, дротяні резистори виготовлені з котушок, тому нерідкі випадки, коли дротові резистори мають індуктивність декількох мікромм (мкГн) або десятків мікроом, або навіть так звані “неіндуктивні” дротяні резистори (де половина котушок намотана за годинниковою стрілкою, а друга половина проти годинникової стрілки). Так що індуктивність, що виробляється двома половинами котушки, скасовує одна одну) також має залишкову індуктивність 1 мкГн або більше. Для високоякісних дротяних резисторів вище приблизно 10k ω решта резисторів переважно ємнісні, а не індуктивні, а ємність до 10 пФ, що вище, ніж у стандартних тонкоплівкових або синтетичних резисторів. Цей реактивний опір необхідно ретельно враховувати при проектуванні високочастотних схем, що містять резистори.
З: Але багато схем, які ви описуєте, використовуються для точних вимірювань на постійному струмі або на дуже низьких частотах. Блукаючі індуктори та розсіяні конденсатори не мають значення в цих додатках, чи не так?
В: так. Оскільки транзистори (як дискретні, так і всередині інтегральних схем) мають дуже широкі діапазони, коливання можуть закінчуватися в індуктивному навантаженні в сотнях або тисячах мегагерц. Дії зсуву та випрямлення, пов’язані з коливаннями, погано впливають на низькочастотну точність та стабільність.
Що ще гірше, коливання можуть бути непомітними на осцилографі також через те, що смуга пропускання осцилографа занадто мала в порівнянні з смугою пропускання високочастотних коливань, що вимірюються, або тому, що ємності заряду осцилографа достатньо, щоб зупинити коливання. Найкращим методом є використання широкосмугового аналізатора спектра (низька частота до 15 ГГц вище) для перевірки системи на наявність паразитних коливань. Цю перевірку слід проводити, коли вхід змінюється у всьому динамічному діапазоні, оскільки паразитні коливання іноді виникають у дуже вузькому діапазоні вхідної смуги.
Питання: Чи є питання щодо резисторів?
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.
Іноді можуть бути корисними великі температурні коефіцієнти (резистор +3500ppm/ ° C може бути використаний для компенсації kT/ Q у характеристичному рівнянні перехідного діода, про що раніше згадувалося у Q&AS для інженерів з прикладних програм). Але в цілому опір з температурою може бути джерелом помилок у точних схемах.
Якщо точність схеми залежить від відповідності двох резисторів з різними температурними коефіцієнтами, то незалежно від того, наскільки добре підібрані при одній температурі, вона не збігатиметься з іншою. Навіть якщо температурні коефіцієнти двох резисторів збігаються, немає гарантії, що вони залишаться при тій самій температурі. Самонагрівання, що генерується внутрішнім споживанням електроенергії або зовнішнім теплом, що передається від джерела тепла в системі, може спричинити невідповідність температури, що призведе до опору. Навіть якісні дротяні або металоплівкові резистори можуть мати невідповідність температури сотням (а то й тисячам) PPM / ℃. Очевидним рішенням є використання двох резисторів, побудованих так, щоб вони були дуже близькі до однієї матриці, щоб точність системи завжди добре відповідала. Підкладкою можуть бути кремнієві пластини, які імітують точні інтегральні схеми, скляні пластини або металеві плівки. Незалежно від підкладки, ці два резистори добре співпадають під час виробництва, мають добре узгоджені температурні коефіцієнти і знаходяться майже при однаковій температурі (оскільки вони настільки близькі).