印制線路板問題(問答)
問:前面介紹了有關(guān)單純電阻的問題,的確一定存在一些電阻,其性能完全符合我們的預(yù)料。請(qǐng)問一段導(dǎo)線的電阻會(huì)怎樣呢?
答:情況不一樣。大概你所指的是一段導(dǎo)線或者是起導(dǎo)線作用的印制線路板中的一段導(dǎo)電帶。由于室溫超導(dǎo)體至今還沒問世,所以任何一段金屬導(dǎo)線都起到低阻值電阻器的作用(它也具有電容和電感的作用),這樣必須考慮它對(duì)電路的影響。
問:在小信號(hào)電路中一段很短的銅線所具有的電阻一定不重要吧?
答:讓我們考慮輸入阻抗為5kΩ的16位ADC。假定到ADC輸入端的信號(hào)線由典型的印制線路板(厚度為0.038 mm,寬度為0.25 mm)長(zhǎng)度為10 cm的導(dǎo)電帶 構(gòu)成。在室溫條件下它具有約0.18 Ω的電阻,這個(gè)電阻稍小于5 kΩ×2×2 -16 ,在滿度時(shí)會(huì)產(chǎn)生2 LSB的增益誤差。
可以證明,假如印制線路板的導(dǎo)電帶做得比較寬(實(shí)際上已經(jīng)如此),則上述問題可能減輕 。在模擬電路中通常使用比較寬的導(dǎo)電帶為好,但是許多印制線路板的設(shè)計(jì)者(和印制線路板設(shè)計(jì)程序)更喜歡采用最小寬度的導(dǎo)電帶以便于信號(hào)線的布置??傊?,在所有可能出現(xiàn)問題的地方,計(jì)算導(dǎo)電帶的電阻并分析其作用,這是非常重要的。
問:寬度過大的導(dǎo)電帶與印制線路板背面的金屬層構(gòu)成的電容會(huì)有問題嗎?
答:?jiǎn)栴}很小。雖然由印制線路板的導(dǎo)電帶構(gòu)成的電容很重要(即使是低頻電路也應(yīng)引起重視,因?yàn)榈皖l電路也能產(chǎn)生高頻寄生振蕩),但總是應(yīng)該先估算一下。如果不存在上述情況,即使較寬的導(dǎo)電帶形成很大的電容也不會(huì)帶來問題。倘若帶來問題,可去掉一小塊接地平面的面積,以減小對(duì)地的電容。
問:這個(gè)問題先留一下!什么是接地平面?
答:假如一塊印制線路板的整個(gè)一面(或者一塊多層印制線路板的整個(gè)夾層)的銅箔用來接地,那么這就是我們所說的接地平面。任何地線的排布都要使其具有盡可能小的電阻和電感。倘若一個(gè)系統(tǒng)使用一個(gè)接地平面,那么它受接地噪聲影響的可能性很小。另外接地平面也具有屏蔽和散熱的作用。
問:這里所說的接地平面對(duì)制造廠家來說很困難,對(duì)嗎?
答:在20年前這方面確實(shí)有些問題。今天由于印制線路中的粘結(jié)劑、阻焊劑和波峰焊技術(shù)的改進(jìn)使制造接地平面已成為印制線路板的常規(guī)作業(yè)。
問:你說一個(gè)系統(tǒng)使用一個(gè)接地平面使其遭受地噪聲的可能性很小,留下來的接地噪聲問題還有什么不能解決?
答:一個(gè)接地噪聲系統(tǒng)的基本電路,盡管有一個(gè)接地平面,但是其電阻和電感卻不為零——倘若外部電流源足夠強(qiáng),它將影響精密的信號(hào)。通過合理地排布印制線路板,使大電流不能流到影響精密信號(hào)產(chǎn)生接地電壓的區(qū)域,這個(gè)問題就能減到最小。有時(shí)在接地平面上斷開或開縫可以使大的接地電流從敏感區(qū)域改變流向,但是強(qiáng)行改變接地平面也能使信號(hào)繞道進(jìn)入靈敏區(qū)域,所以這樣的工藝技術(shù)必須小心使用。
問:怎樣才能知道在一個(gè)接地平面上產(chǎn)生的電壓降?
答:通常電壓降可以測(cè)量到,但有時(shí)候可以根據(jù)接地平面材料的電阻(標(biāo)稱1盎司銅具有045mΩ/□的電阻)和電流所經(jīng)過的導(dǎo)電帶的長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算,不 過計(jì)算可能很復(fù)雜 。在直流到低頻(50kHz)范圍內(nèi)的電壓可以用儀表放大器,如AMP02或AD620進(jìn)行測(cè)量。
放大器增益設(shè)定為1000,并連到靈敏度為5mV/div的示波器上。放大器可以用被測(cè)電路的同一電源供電,或者用自身電源供電。但放大器的地假如與其電源地分開,則示波器必須連接到所用電源電路的電源地。
接地平面上任意兩點(diǎn)間的電阻可以用探頭加到這兩點(diǎn)上進(jìn)行測(cè)量。放大器增益和示波器靈敏度綜合起來可使測(cè)量靈敏度達(dá)到5μV/div。放大器的噪聲將增大示波器波形曲線的寬度,大約為3μV,但還是有可能使測(cè)量的分辨率達(dá)到約1μV水平——這足夠判別大多數(shù)接地噪聲,并且置信度可達(dá)80%。
問:有關(guān)上述測(cè)試方法應(yīng)該注意什么?
答:任何交變磁場(chǎng)在探頭引線上都會(huì)感應(yīng)出電壓來,這可以用探頭相互短路來試驗(yàn)(并且對(duì)地電阻提供一個(gè)偏流路徑),觀察示波器波形圖。所觀察到的交流波形就是由于感應(yīng)所產(chǎn)生的,可以用改變引線位置或設(shè)法消除磁場(chǎng)使其減少到最小。另外,保證放大器的地線連接到系統(tǒng)的地線上也是很必要的。如果放大器設(shè)有這個(gè)連接就沒有偏流返回路徑,放大器不能工作。接地還應(yīng)該保證所用的接地方法不會(huì)干擾被測(cè)電路的電流分布。
問:高頻接地噪聲如何測(cè)量?
答:使用合適的寬頻帶儀表放大器測(cè)量高頻接地噪聲是很困難的,所以使用高頻和甚高頻無源探頭較為適當(dāng)。它由鐵氧體磁環(huán)(外徑為6~8mm)組成,磁環(huán)上有兩個(gè)線圈,每 線圈6~10匝。為了構(gòu)成一個(gè)高頻隔離變壓器,一個(gè)線圈連到頻譜分析儀輸入端,另一個(gè)線圈連到探頭。
測(cè)試方法與低頻情況類似,但頻譜分析儀用幅頻特性曲線表示噪聲。這與時(shí)域特性不同 ,噪聲源可以根據(jù)它們的頻率特征很容易進(jìn)行區(qū)別。此外使用頻譜分析儀的靈敏度至少比使用寬頻帶示波器高60 dB。
問:導(dǎo)線的電感是怎么一回事?
答:導(dǎo)線和印制線路板導(dǎo)電帶的電感在較高頻率時(shí)是不能忽略的。為了計(jì)算直導(dǎo)線和導(dǎo)電帶的電感,這里介紹兩個(gè)近似方法。
例如1 cm長(zhǎng),0.25 mm寬的導(dǎo)電帶形成的電感為10 nH。
導(dǎo)線電感=0.0002Lln2LR-0.75 μH
例如:長(zhǎng)1 cm外徑0.5 mm的導(dǎo)線電感量為7.26 nH (2R=0.5 mm,L=1 cm)
導(dǎo)電帶電感=0.0002Lln2LW+H+0.2235 W+HL+0.5μH
例如:長(zhǎng)1cm寬0.25 mm印制線路板導(dǎo)電帶的電感為9.59 nH( H=0.038mm,W=0.25 m m,L=1 cm)。
但是感抗與切割感應(yīng)回路的寄生通量及感應(yīng)電壓相比通常小得多?;芈访娣e必須被減到最小,因?yàn)楦袘?yīng)電壓正比于回路面積。在線路接線使用雙絞線時(shí)這一點(diǎn)很容易做到。
在印制線路板中,引線和返回路徑應(yīng)該靠近。很小的布線變化常常會(huì)把影響降到最小,見源A耦合到低能量回路B。
減少回路面積或增大耦合回路之間的距離將使影響減到最小。通常把回路面積減到最小并且盡可能增大耦合回路之間的距離。有時(shí)需要磁場(chǎng)屏蔽,但 費(fèi)用很高且容易發(fā)生機(jī)械故障,所以盡量避免使用。
問:在“應(yīng)用工程師問答”中,經(jīng)常提到集成電路的非理想行為。對(duì)于使用類似 電阻器這樣的簡(jiǎn)單元件應(yīng)該輕松一點(diǎn)兒,請(qǐng)你解釋一下接近理想元件的情況。
答:我只是希望電阻器是一種理想元件,但電阻器引線端的不長(zhǎng)的小圓柱作用恰恰類似一種純電阻。實(shí)際電阻器還包含虛部電阻分量——即電抗分量。大多數(shù)電阻器都具有與其電阻并聯(lián)的小電容(典型值 1~3 pF)。 雖然有些薄膜電阻器,在其電阻性薄膜中進(jìn)行螺旋槽式切割,多半是電感性的,其感抗為幾十或幾百納亨(nH)。 當(dāng)然,線繞電阻一般是電感性的而不是電容性的(至少在低頻情況下是這樣)。線繞電阻 器畢竟是由線圈構(gòu)成的,所以線繞電阻器具有幾微亨(μH)或幾十微亨的電感 這是很平常的,甚至所謂“無電感”線繞電阻(其中有一半匝數(shù)線圈按順時(shí)針方向纏,另一半線圈按照逆時(shí)針方向纏,以便使兩半線圈產(chǎn)生的電感互相抵消)也有1 μH或更大的剩余電感 。對(duì)于大約在10 kΩ以上的高阻值線繞電 阻,剩余電阻多半是電容性的而不是電感性的,而且其電容量高達(dá) 10 pF, 高于標(biāo)準(zhǔn)薄膜或合成型電阻器的電容量。當(dāng)設(shè)計(jì)含有電阻器的高頻電路時(shí)一定要認(rèn)真地考慮 這種電抗。
問:但你所介紹的許多電路都是用于直流或頻率很低的精密測(cè)量,雜散電感和雜散電容在這種應(yīng)用中沒有關(guān)系,對(duì)嗎?
答:對(duì)。由于晶體管(不論是分立的晶體管還是集成電路內(nèi)部的晶體管)都有很寬的頻帶寬度,所以 當(dāng)這種電路末端是電抗性負(fù)載時(shí),在幾百或幾千兆赫頻帶內(nèi)有時(shí)可能出現(xiàn)振蕩。與振蕩有關(guān)系的偏移和整流作用對(duì)低頻精度和穩(wěn)定性都會(huì)有壞的影響。
更糟的是,這種振蕩在示波器上可能看不到,這或者是由于示波器帶寬與這種被測(cè)的高頻振蕩帶寬相比太低,或者由于示波器的探頭的電容量足夠停止這種振蕩。最好的方法是采用寬頻帶(低頻至15 GHz以上)頻譜分析儀來檢驗(yàn)系統(tǒng)有沒有寄生振蕩。當(dāng)輸入在整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍變化時(shí),應(yīng)該做這種檢查,因?yàn)榧纳袷幱袝r(shí)出現(xiàn)在輸入頻帶很窄的范圍內(nèi)。
問:對(duì)于電阻器的電阻還有些什么問題嗎?
答:電阻器的電阻不是固定的,而是隨溫度變化的。溫度系數(shù)(TC)從幾個(gè)ppm /°C(每攝氏度百萬分之一)變化到幾千個(gè)ppm/°C。最穩(wěn)定的電阻器是線繞電阻器或金屬膜 電阻器,最差的電阻是合成碳膜電阻器。
大的溫度系數(shù)有時(shí)很有用(以前的“應(yīng)用工程師問答”中曾提到如何利用+ 3500 pp m/°C電阻器來補(bǔ)償結(jié)二極管特性方程中的kT/q)。但一般說來電阻隨溫度變化可能成為精密電路中的一項(xiàng)誤差源。
如果電路的精度取決于具有不同溫度系數(shù)的兩個(gè)電阻器的匹配,那么在一個(gè)溫度條件下不論匹配得多么好,在另一個(gè)溫度條件下都不會(huì)匹配。即使兩個(gè)電阻器的溫度系數(shù)匹配,也不能保證它們保持在相同的溫度。由內(nèi)部功耗產(chǎn)生的自熱或從系統(tǒng)某一熱源傳導(dǎo)的外部熱量 都會(huì)造成溫度的失配,從而產(chǎn)生電阻。即使是高質(zhì)量的線繞電阻器或金屬膜電阻器受溫度影響產(chǎn)生的失配誤差也有幾百個(gè)(或者甚至幾千個(gè))ppm/℃。顯而易見的解決方法是使用的兩個(gè)電阻器在制造時(shí)使它們都非常靠近同一個(gè)基體,這樣不論什么時(shí)候都能很好地達(dá)到系統(tǒng)精度匹配要求。這種基體可以是精密模擬集成電路的硅片,或者玻璃片或者金屬薄膜。無論是哪種基體,這兩個(gè)電阻器在制造期間都匹配得好,具有匹配優(yōu)良的溫度系數(shù),而且處于幾乎相同的溫度(因?yàn)樗鼈兎浅?拷?。
問:在對(duì)數(shù)電路設(shè)計(jì)中,常使用AD538實(shí)時(shí)模擬計(jì)算單元(ACU) ,其中需要“kT/q補(bǔ)償電阻”。請(qǐng)解釋一下?
答:AD538的接線方法如圖138所示,V BE 是硅二極管PN結(jié)兩端間的電壓, 等于(kT/q)ln(I/I REF ),其中I為PN結(jié)二極管的電流, I REF 為反向飽和電流, k/q為玻爾茲曼常數(shù)與一個(gè)電子電荷電量之比(約為1/11605 K/V),T為開氏絕對(duì)溫度。 雖然使用相似的等溫結(jié)對(duì)來消除反向飽和電流受溫度的影響,但是溫度電壓當(dāng)量kT/q仍 與溫度有關(guān)。為消除應(yīng)用中這種溫度依賴性,必須在增益與PN結(jié)的絕對(duì)溫度成反比的電路中 采用對(duì)數(shù)電壓。在20°C附近的合適溫度范圍內(nèi),在上述電路中選用1 kΩ增益電阻,可得到大約3 400 ppm/°C的正溫度系數(shù)。
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