印刷电路板 困难的问题和解决方案

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?
答：情况不同。 据推测，您指的是印刷电路板中用作电线的电线或导电带。 由于室温超导体尚不可用，任何长度的金属线都充当低阻电阻器（也充当电容器和电感器），必须考虑其对电路的影响。
2、问：小信号电路中很短的铜线的阻值一定不重要吧？
A：让我们考虑一个输入阻抗为 16k ω 的 5 位 ADC。 假设到 ADC 输入的信号线由一块典型的印刷电路板（0.038 毫米厚，​​0.25 毫米宽）组成，导电带的长度为 10 厘米。 它在室温下的电阻约为 0.18 ω，略小于 5K ω ×2×2-16，并在全度时产生 2LSB 的增益误差。
可以说，如果印刷电路板的导电带做得更宽，这个问题可能会得到缓解。 在模拟电路中，通常最好使用更宽的带宽，但许多 PCB 设计人员（和 PCB 设计人员）更喜欢使用最小带宽以方便信号线放置。 总之，重要的是计算导电带的电阻并分析其在所有可能问题中的作用。
3. Q: Is there a problem with the capacitance of the conductive band with too large width and the metal layer on the back of the PRINTED circuit board?
答：这是一个小问题。 尽管来自印刷电路板导电带的电容很重要（即使对于低频电路，会产生高频寄生振荡），但始终应首先对其进行估计。 如果不是这种情况，即使形成大电容的宽导电带也不是问题。 如果出现问题，可以移除一小块接地层以减少对地电容。
问：暂时搁置这个问题！ 什么是接地平面？
A：如果在印刷电路板的整个侧面（或多层印刷电路板的整个夹层）上使用铜箔接地，那么这就是我们所说的接地平面。 任何接地线都应以尽可能小的电阻和电感布置。 如果系统使用接地平面，则不太可能受到接地噪声的影响。 此外，接地平面还具有屏蔽和散热功能
Q：这里提到的接地平面对厂家来说很难吧？
A：20年前有一些问题。 如今，由于印制电路板中粘合剂、阻焊和波峰焊技术的改进，接地面的制造已成为印制电路板的常规操作。
问：您说使用接地层将系统暴露于接地噪声的可能性非常小。 地面噪声问题还有哪些无法解决？
答：接地噪声系统的基本电路有接地层，但其电阻和电感不为零——如果外部电流源足够大，就会影响精确信号。 通过适当布置印刷电路板，使大电流不会流到影响精密信号接地电压的区域，可以最大限度地减少这个问题。 有时，接地平面的断裂或裂缝可以从敏感区域转移较大的接地电流，但强行改变接地平面也可以将信号转移到敏感区域，因此必须谨慎使用这种技术。
问：我如何知道接地平面上产生的电压降？
A：通常电压降是可以测得的，但有时也可以根据接地面中材料的电阻（标称1盎司铜的电阻为045m ω /□）和接地面的长度来计算电流通过的导电带，尽管计算可能很复杂。 直流到低频 (50kHz) 范围内的电压可以使用仪表放大器（例如 AMP02 或 AD620）进行测量。
The amplifier gain was set at 1000 and connected to an oscilloscope with a sensitivity of 5mV/div. The amplifier may be supplied from the same power source as the circuit under test, or from its own power source. However, if the amplifier ground is separated from its power base, the oscilloscope must be connected to the power base of the power circuit used.
The resistance between any two points on the ground plane can be measured by adding a probe to the two points. The combination of amplifier gain and oscilloscope sensitivity enables the measurement sensitivity to reach 5μV/div. Noise from the amplifier will increase the width of the oscilloscope waveform curve by about 3μV, but it is still possible to achieve a resolution of about 1μV — enough to distinguish most ground noise with up to 80% confidence.
Q：以上测试方法需要注意什么？
答：任何交变磁场都会在探头引线上感应出电压，可以通过将探头彼此短路（并提供接地电阻的偏转路径）并观察示波器波形来进行测试。 观察到的交流波形是由感应引起的，可以通过改变导线的位置或尝试消除磁场来最小化。 此外，必须确保放大器的接地与系统的接地相连。 如果放大器有这种连接，则没有偏转返回路径，放大器将无法工作。 接地还应确保所使用的接地方法不会干扰被测电路的电流分布。
问：如何测量高频接地噪声？
答：用合适的宽带仪表放大器很难测量高频地面噪声，因此高频和甚高频无源探头是合适的。 它由一个铁氧体磁环（外径6～8mm）和两个6～10匝线圈组成。 为了形成高频隔离变压器，一个线圈连接到频谱分析仪输入端，另一个连接到探头。
测试方法与低频情况类似，但频谱分析仪使用幅频特性曲线来表示噪声。 与时域特性不同，噪声源可以根据其频率特性轻松区分。 此外，频谱分析仪的灵敏度至少比宽带示波器高60dB。
问：电线的电感量是多少？
A：导体和PCB导电带的电感在较高频率下是不可忽视的。 为了计算直线和导电带的电感，这里引入两个近似值。
例如，1cm 长、0.25mm 宽的导电带将形成 10nH 的电感。
Conductor inductance = 0.0002LLN2LR-0.75 μH
例如1cm长0.5mm外径导线的电感为7.26nh（2R=0.5mm,L=1cm）
Conductive band inductance = 0.0002LLN2LW +H+0.2235W+HL+0.5μH
例如1cm宽0.25mm印制电路板导电带的电感为9.59nh（H=0.038mm,W=0.25mm,L=1cm）。
然而，感抗通常比被切断的感性电路的寄生通量和感应电压小得多。 回路面积必须最小化，因为感应电压与回路面积成正比。 当接线是双绞线时，这很容易做到。
在印刷电路板中，引线和返回路径应该靠近在一起。 小的接线变化通常可以最大限度地减少影响，参见源 A 耦合到低能量回路 B。
Reducing the loop area or increasing the distance between the coupling loops will minimize the effect. The loop area is usually reduced to a minimum and the distance between the coupling loops is maximized. Magnetic shielding is sometimes required, but is expensive and prone to mechanical failure, so avoid it.
11. 问：在应用工程师问答中，经常提到集成电路的非理想行为。 使用电阻等简单元件应该更容易。 解释理想元件的接近度。
答：我只是希望电阻是一个理想的器件，但是电阻引线上的短圆柱体的作用与纯电阻完全一样。 实际电阻器还包含虚电阻分量 — 电抗分量。 大多数电阻器都有一个与其电阻并联的小电容（通常为 1 到 3pF）。 虽然一些薄膜电阻器，其电阻薄膜中的螺旋槽切割大多是感性的，但它们的感抗为数十或数百纳亨（nH）。 当然，绕线电阻通常是电感性的而不是电容性的（至少在低频时）。 毕竟线绕电阻器是由线圈构成的，所以线绕电阻器有几微欧（μH）或几十微欧的电感量，甚至所谓的“无感”线绕电阻器的情况并不少见（其中一半线圈顺时针缠绕，另一半逆时针缠绕）。 使两半线圈产生的电感相互抵消）也有1μH以上的残余电感。 对于大约10k ω以上的高值绕线电阻，其余电阻多为容性而非感性，电容高达10pF，高于标准薄膜或合成电阻。 在设计包含电阻器的高频电路时，必须仔细考虑该电抗。
问：但是您描述的许多电路都用于在直流或极低频率下进行精确测量。 杂散电感器和杂散电容器在这些应用中无关紧要，对吗？
答：是的。 由于晶体管（分立的和集成电路内的）具有非常宽的带宽，当电路以感性负载结束时，有时会在数百或数千兆赫频带内发生振荡。 与振荡相关的偏移和整流动作对低频精度和稳定性有不良影响。
更糟糕的是，由于示波器的带宽与被测高频振荡的带宽相比太低，或者示波器探头的充电容量足以阻止振荡，因此在示波器上可能看不到振荡。 最好的方法是使用宽带（低频至15GHz以上）频谱分析仪检查系统是否存在寄生振荡。 当输入在整个动态范围内变化时应进行此检查，因为寄生振荡有时会发生在输入频带的非常窄的范围内。
问：有关于电阻的问题吗？
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.
大的温度系数有时会很有用（+3500ppm/°C 电阻器可用于补偿结二极管特性方程中的 kT/Q，如前面的应用工程师问答中所述）。 但一般来说，电阻随温度变化可能是精密电路中的误差来源。
如果电路的精度取决于温度系数不同的两个电阻的匹配，那么无论在一个温度下匹配得有多好，在另一个温度下都不会匹配。 即使两个电阻的温度系数匹配，也不能保证它们会保持相同的温度。 内部功耗产生的自热或系统中热源传递的外部热量会导致温度不匹配，从而导致电阻。 即使是高质量的绕线或金属膜电阻器也可能存在数百（甚至数千）PPM/℃的温度失配。 显而易见的解决方案是使用两个内置的电阻器，使它们都非常接近同一个矩阵，以便系统的精度始终匹配良好。 基板可以是模拟精密集成电路的硅晶片、玻璃晶片或金属薄膜。 无论基板如何，这两个电阻器在制造过程中都匹配良好，具有匹配良好的温度系数，并且处于几乎相同的温度（因为它们非常接近）。