Bảng mạch in những vấn đề khó khăn và giải pháp

Q: Như đã đề cập trước đó về các điện trở đơn giản, phải có một số điện trở có hiệu suất chính xác như những gì chúng ta mong đợi. Điều gì xảy ra với điện trở của một đoạn dây?
A: Tình hình là khác nhau. Có lẽ bạn đang đề cập đến một dây dẫn hoặc một dải dẫn điện trong bảng mạch in hoạt động như một dây dẫn. Vì chưa có chất siêu dẫn ở nhiệt độ phòng nên bất kỳ chiều dài nào của dây kim loại đều đóng vai trò là điện trở có điện trở thấp (đồng thời đóng vai trò là tụ điện và cuộn cảm), và ảnh hưởng của nó đối với mạch điện phải được xem xét.
2. Hỏi: Điện trở của một dây đồng rất ngắn trong mạch tín hiệu nhỏ phải không quan trọng?
A: hãy xem xét một ADC 16 bit với trở kháng đầu vào là 5k ω. Giả sử rằng đường tín hiệu đến đầu vào ADC bao gồm một bảng mạch in điển hình (dày 0.038mm, rộng 0.25mm) với một dải dẫn điện dài 10cm. Nó có điện trở khoảng 0.18 ω ở nhiệt độ phòng, nhỏ hơn một chút 5K ω × 2 × 2-16 và tạo ra sai số khuếch đại là 2LSB ở mức đầy đủ.
Có thể cho rằng, vấn đề này có thể được giảm thiểu nếu, như trước đây, dải dẫn điện của bảng mạch PRINTED được làm rộng hơn. Trong các mạch tương tự, thông thường người ta thích sử dụng băng tần rộng hơn, nhưng nhiều nhà thiết kế PCB (và nhà thiết kế PCB) lại thích sử dụng độ rộng băng tần tối thiểu để tạo thuận lợi cho việc bố trí đường tín hiệu. Kết luận, điều quan trọng là phải tính toán điện trở của dải dẫn điện và phân tích vai trò của nó trong tất cả các vấn đề có thể xảy ra.
3. Hỏi: Có vấn đề gì với điện dung của dải dẫn điện có chiều rộng quá lớn và lớp kim loại ở mặt sau của bảng mạch INOX không?
A: Đó là một câu hỏi nhỏ. Mặc dù điện dung từ dải dẫn điện của bảng mạch PRINTED là quan trọng (ngay cả đối với các mạch tần số thấp, có thể tạo ra dao động ký sinh tần số cao), nhưng nó phải luôn được ước lượng trước. Nếu không đúng như vậy, ngay cả một dải dẫn điện rộng tạo thành một điện dung lớn cũng không phải là vấn đề. Nếu vấn đề phát sinh, một diện tích nhỏ của mặt đất có thể được loại bỏ để giảm điện dung đối với mặt đất.
Q: Hãy để câu hỏi này một chút! Máy bay tiếp đất là gì?
A: Nếu lá đồng trên toàn bộ mặt của bảng mạch IN (hoặc toàn bộ lớp xen kẽ của bảng mạch in nhiều lớp) được sử dụng để nối đất, thì đây là cái mà chúng tôi gọi là mặt phẳng tiếp đất. Bất kỳ dây nối đất nào cũng phải được bố trí có điện trở và độ tự cảm nhỏ nhất có thể. Nếu một hệ thống sử dụng mặt phẳng tiếp đất thì ít có khả năng bị ảnh hưởng bởi tiếng ồn tiếp đất. Ngoài ra mặt phẳng tiếp đất còn có chức năng che chắn, làm mát
Q: Máy bay tiếp đất được đề cập ở đây là khó khăn cho các nhà sản xuất, phải không?
A: Có một số vấn đề cách đây 20 năm. Ngày nay, do sự cải tiến của chất kết dính, điện trở hàn và công nghệ hàn sóng trong bảng mạch in, việc chế tạo mặt phẳng tiếp đất đã trở thành một hoạt động thường xuyên của bảng mạch in.
Q: Bạn nói rằng khả năng hệ thống tiếp xúc với tiếng ồn mặt đất bằng cách sử dụng máy bay mặt đất là rất nhỏ. Những gì còn lại của vấn đề tiếng ồn mặt đất mà không thể được giải quyết?
A: Mạch cơ bản của hệ thống nhiễu nối đất có mặt đất, nhưng điện trở và độ tự cảm của nó không bằng XNUMX – nếu nguồn dòng bên ngoài đủ mạnh, nó sẽ ảnh hưởng đến các tín hiệu chính xác. Vấn đề này có thể được giảm thiểu bằng cách sắp xếp hợp lý các bảng mạch in để dòng điện cao không chạy đến các khu vực ảnh hưởng đến điện áp nối đất của tín hiệu chính xác. Đôi khi sự đứt gãy hoặc khe hở trên mặt phẳng nối đất có thể làm chuyển hướng dòng điện nối đất lớn khỏi vùng nhạy cảm, nhưng việc thay đổi mặt đất cưỡng bức cũng có thể chuyển hướng tín hiệu vào vùng nhạy cảm, vì vậy kỹ thuật như vậy phải được sử dụng cẩn thận.
Hỏi: Làm thế nào để biết điện áp rơi được tạo ra trên mặt phẳng nối đất?
A: thông thường có thể đo điện áp rơi, nhưng đôi khi có thể tính toán dựa trên điện trở của vật liệu trong mặt phẳng nối đất (1 ounce đồng danh định có điện trở 045m ω / □) và chiều dài của dải dẫn điện mà dòng điện chạy qua, mặc dù các phép tính có thể phức tạp. Có thể đo điện áp trong dải tần số một chiều đến tần số thấp (50kHz) bằng bộ khuếch đại thiết bị đo như AMP02 hoặc AD620.
Độ lợi của bộ khuếch đại được đặt ở 1000 và được kết nối với một máy hiện sóng có độ nhạy 5mV / div. Bộ khuếch đại có thể được cung cấp từ nguồn điện giống như mạch đang thử nghiệm hoặc từ nguồn điện riêng của nó. Tuy nhiên, nếu mặt đất của bộ khuếch đại được tách ra khỏi đế nguồn của nó, thì máy hiện sóng phải được kết nối với đế nguồn của mạch nguồn được sử dụng.
Có thể đo điện trở giữa hai điểm bất kỳ trên mặt đất bằng cách thêm một đầu dò vào hai điểm đó. Sự kết hợp giữa độ lợi bộ khuếch đại và độ nhạy của máy hiện sóng cho phép độ nhạy đo đạt 5μV / div. Nhiễu từ bộ khuếch đại sẽ làm tăng độ rộng của đường cong dạng sóng của máy hiện sóng khoảng 3μV, nhưng vẫn có thể đạt được độ phân giải khoảng 1μV – đủ để phân biệt hầu hết các tạp âm mặt đất với độ tin cậy lên đến 80%.
Hỏi: Cần lưu ý gì về phương pháp kiểm tra trên?
Đáp: Bất kỳ từ trường xoay chiều nào cũng sẽ tạo ra một điện áp trên dây dẫn của đầu dò, có thể được kiểm tra bằng cách nối ngắn các đầu dò với nhau (và tạo ra một đường lệch so với điện trở đất) và quan sát dạng sóng của máy hiện sóng. Dạng sóng AC quan sát được là do cảm ứng và có thể được giảm thiểu bằng cách thay đổi vị trí của dây dẫn hoặc bằng cách cố gắng loại bỏ từ trường. Ngoài ra, cần đảm bảo nối đất của bộ khuếch đại với tiếp đất của hệ thống. Nếu bộ khuếch đại có kết nối này thì không có đường trở lại lệch hướng và bộ khuếch đại sẽ không hoạt động. Việc nối đất cũng phải đảm bảo rằng phương pháp nối đất được sử dụng không gây trở ngại cho sự phân bố dòng điện của mạch điện cần thử nghiệm.
Q: Làm thế nào để đo tiếng ồn nối đất tần số cao?
Đáp: Rất khó để đo tiếng ồn mặt đất hf bằng bộ khuếch đại thiết bị đo băng rộng phù hợp, vì vậy các đầu dò thụ động hf và VHF là thích hợp. Nó bao gồm một vòng từ tính ferit (đường kính ngoài từ 6 ~ 8mm) với hai cuộn dây mỗi cuộn từ 6 ~ 10 vòng. Để tạo thành một máy biến áp cách ly tần số cao, một cuộn dây được kết nối với đầu vào của máy phân tích phổ và cuộn dây kia với đầu dò.
Phương pháp kiểm tra tương tự như trường hợp tần số thấp, nhưng máy phân tích phổ sử dụng các đường đặc tính biên độ-tần số để biểu diễn nhiễu. Không giống như các thuộc tính của miền thời gian, các nguồn nhiễu có thể được phân biệt dễ dàng dựa trên các đặc tính tần số của chúng. Ngoài ra, độ nhạy của máy phân tích phổ cao hơn ít nhất 60dB so với máy hiện sóng băng rộng.
Hỏi: Độ tự cảm của dây dẫn thì sao?
A: Không thể bỏ qua độ tự cảm của dây dẫn và dải dẫn PCB ở tần số cao hơn. Để tính độ tự cảm của một dây dẫn thẳng và một dây dẫn, hai phép tính gần đúng được giới thiệu ở đây.
Ví dụ, một dải dẫn điện dài 1cm và rộng 0.25 mm sẽ tạo thành độ tự cảm 10nH.
Độ tự cảm của dây dẫn = 0.0002LLN2LR-0.75 μH
Ví dụ, độ tự cảm của một dây dẫn đường kính ngoài 1mm dài 0.5cm là 7.26nh (2R = 0.5mm, L = 1 cm)
Độ tự cảm của dải dẫn = 0.0002LLN2LW + H + 0.2235W + HL + 0.5μH
Ví dụ, độ tự cảm của dải dẫn điện trên bảng mạch in 1mm rộng 0.25cm là 9.59nh (H = 0.038mm, W = 0.25mm, L = 1cm).
Tuy nhiên, điện kháng cảm ứng thường nhỏ hơn nhiều so với từ thông ký sinh và điện áp cảm ứng của đoạn mạch cảm ứng bị cắt. Diện tích vòng lặp phải được giảm thiểu vì điện áp cảm ứng tỷ lệ với diện tích vòng lặp. Điều này rất dễ thực hiện khi hệ thống dây điện là dạng xoắn đôi.
Trong bảng mạch in, đường dẫn và đường trở lại phải gần nhau. Thay đổi dây dẫn nhỏ thường giảm thiểu tác động, xem nguồn A được ghép nối với vòng lặp B năng lượng thấp.
Giảm diện tích vòng lặp hoặc tăng khoảng cách giữa các vòng ghép nối sẽ giảm thiểu ảnh hưởng. Diện tích vòng lặp thường được giảm đến mức tối thiểu và khoảng cách giữa các vòng ghép nối là tối đa. Đôi khi cần phải che chắn từ tính, nhưng tốn kém và dễ bị hỏng hóc về mặt cơ khí, vì vậy hãy tránh nó.
11. Hỏi: Trong phần Hỏi & Đáp dành cho Kỹ sư ứng dụng, hành vi không lý tưởng của mạch tích hợp thường được đề cập. Sẽ dễ dàng hơn khi sử dụng các thành phần đơn giản như điện trở. Giải thích sự gần nhau của các thành phần lý tưởng.
A: Tôi chỉ muốn một điện trở là một thiết bị lý tưởng, nhưng trụ ngắn ở đầu của một điện trở hoạt động chính xác như một điện trở thuần. Điện trở thực tế cũng chứa thành phần điện trở tưởng tượng – thành phần điện kháng. Hầu hết các điện trở có điện dung nhỏ (thường từ 1 đến 3pF) song song với điện trở của chúng. Mặc dù một số điện trở phim, việc cắt rãnh xoắn trong các phim điện trở của chúng hầu hết là cảm ứng, điện trở cảm ứng của chúng là hàng chục hoặc hàng trăm nahen (nH). Tất nhiên, điện trở của dây quấn nói chung là điện cảm hơn là điện dung (ít nhất là ở tần số thấp). Rốt cuộc, điện trở quấn dây được làm bằng cuộn dây, vì vậy không có gì lạ khi điện trở quấn dây có độ tự cảm vài microhm (μH) hoặc hàng chục microhm, hoặc thậm chí được gọi là điện trở quấn dây “không cảm ứng”. (trong đó một nửa số cuộn dây được quấn theo chiều kim đồng hồ và nửa còn lại ngược chiều kim đồng hồ). Sao cho cảm kháng sinh ra bởi hai nửa cuộn dây triệt tiêu nhau) cũng có độ tự cảm dư từ 1μH trở lên. Đối với các điện trở quấn dây có giá trị cao trên khoảng 10k ω, các điện trở còn lại chủ yếu là điện dung chứ không phải cảm ứng và điện dung lên đến 10pF, cao hơn điện trở màng mỏng tiêu chuẩn hoặc điện trở tổng hợp. Điện kháng này phải được xem xét cẩn thận khi thiết kế mạch cao tần có chứa điện trở.
Hỏi: Nhưng nhiều mạch mà bạn mô tả được sử dụng cho các phép đo chính xác ở tần số DC hoặc tần số rất thấp. Các cuộn cảm và tụ điện lạc không liên quan trong các ứng dụng này, phải không?
A: vâng. Bởi vì bóng bán dẫn (cả rời rạc và trong mạch tích hợp) có độ rộng băng tần rất rộng, các dao động đôi khi có thể xảy ra trong hàng trăm hoặc hàng nghìn dải megahertz khi mạch kết thúc bằng tải cảm ứng. Các hoạt động bù đắp và chỉnh lưu liên quan đến dao động có ảnh hưởng xấu đến độ chính xác và ổn định tần số thấp.
Tệ hơn nữa, các dao động có thể không được nhìn thấy trên máy hiện sóng vì băng thông của máy hiện sóng quá thấp so với băng thông của các dao động tần số cao đang được đo, hoặc do dung lượng tích điện của đầu dò máy hiện sóng đủ để dừng dao động. Phương pháp tốt nhất là sử dụng máy phân tích phổ băng tần rộng (tần số thấp đến 15GHz trên) để kiểm tra hệ thống về các dao động ký sinh. Việc kiểm tra này nên được thực hiện khi đầu vào thay đổi trên toàn bộ dải động, bởi vì các dao động ký sinh đôi khi xảy ra trong một phạm vi rất hẹp của dải đầu vào.
Hỏi: Có bất kỳ câu hỏi nào về điện trở?
A: Điện trở của một điện trở không cố định mà thay đổi theo nhiệt độ. Hệ số nhiệt độ (TC) thay đổi từ vài PPM / ° C (phần triệu trên độ C) đến vài nghìn PPM / ° C. Điện trở ổn định nhất là điện trở dây quấn hoặc điện trở màng kim loại, và tệ nhất là điện trở màng carbon tổng hợp.
Hệ số nhiệt độ lớn đôi khi có thể hữu ích (điện trở + 3500ppm / ° C có thể được sử dụng để bù cho kT / Q trong phương trình đặc tính của diode tiếp giáp, như đã đề cập trước đây trong phần Hỏi & Đáp dành cho Kỹ sư Ứng dụng). Nhưng nói chung, điện trở với nhiệt độ có thể là một nguồn gây ra lỗi trong các mạch điện chính xác.
Nếu độ chính xác của mạch phụ thuộc vào sự kết hợp của hai điện trở có hệ số nhiệt độ khác nhau, thì cho dù kết hợp tốt ở một nhiệt độ như thế nào, nó sẽ không khớp ở nhiệt độ khác. Ngay cả khi hệ số nhiệt độ của hai điện trở khớp nhau, không có gì đảm bảo rằng chúng sẽ vẫn ở cùng một nhiệt độ. Nhiệt tự sinh ra do tiêu thụ điện bên trong hoặc nhiệt bên ngoài truyền từ nguồn nhiệt trong hệ thống có thể gây ra sự sai lệch nhiệt độ, dẫn đến điện trở. Ngay cả điện trở cuộn dây hoặc điện trở màng kim loại chất lượng cao cũng có thể có sự chênh lệch nhiệt độ hàng trăm (hoặc thậm chí hàng nghìn) PPM / ℃. Giải pháp rõ ràng là sử dụng hai điện trở được chế tạo sao cho cả hai đều rất gần với cùng một ma trận, để độ chính xác của hệ thống luôn khớp tốt. Chất nền có thể là tấm silicon mô phỏng các mạch tích hợp chính xác, tấm thuỷ tinh hoặc màng kim loại. Bất kể chất nền là gì, hai điện trở phù hợp tốt trong quá trình sản xuất, có hệ số nhiệt độ phù hợp và ở nhiệt độ gần như nhau (vì chúng quá gần nhau).