印制線路板難點問題與解答

1、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。請問一段導(dǎo)線的電阻會怎樣呢?
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)，這樣必須考慮它對電路的影響。

2、問：在小信號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輸入端的信號線由典型的印制線路板(厚度為0.038mm，寬度為0.25mm)長度為10cm的導(dǎo)電帶構(gòu)成。在室溫條件下它具有約0.18Ω的電阻，這個電阻稍小于5kΩ×2×2-16，在滿度時會產(chǎn)生2LSB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)計者(和印制線路板設(shè)計程序)更喜歡采用最小寬度的導(dǎo)電帶以便于信號線的布置?？傊谒锌赡艹霈F(xiàn)問題的地方，計算導(dǎo)電帶的電阻并分析其作用，這是非常重要的。

3、問：寬度過大的導(dǎo)電帶與印制線路板背面的金屬層構(gòu)成的電容會有問題嗎?
答：問題很小。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，因為低頻電路也能產(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，以減小對地的電容。

4、問：這個問題先留一下!什么是接地平面?
答：假如一塊印制線路板的整個一面(或者一塊多層印制線路板的整個夾層)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。倘若一個系統(tǒng)使用一個接地平面，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

5、問：這里所說的接地平面對制造廠家來說很困難，對嗎?
答：在20年前這方面確實有些問題。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)。

6、問：你說一個系統(tǒng)使用一個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：一個接地噪聲系統(tǒng)的基本電路，盡管有一個接地平面，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。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產(chǎn)生接地電壓的區(qū)域，這個問題就能減到最小。有時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。

7、問：怎樣才能知道在一個接地平面上產(chǎn)生的電壓降?
答：通常電壓降可以測量到，但有時候可以根據(jù)接地平面材料的電阻(標(biāo)稱1盎司銅具有0?45mΩ/□的電阻)和電流所經(jīng)過的導(dǎo)電帶的長度進(jìn)行計算，不過計算可能很復(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AMP?02或AD620進(jìn)行測量。
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間的電阻可以用探頭加到這兩點上進(jìn)行測量。放大器增益和示波器靈敏度綜合起來可使測量靈敏度達(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%。

8、問：有關(guān)上述測試方法應(yīng)該注意什么?
答：任何交變磁場在探頭引線上都會感應(yīng)出電壓來，這可以用探頭相互短路來試驗(并且對地電阻提供一個偏流路徑)，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干擾被測電路的電流分布。

9、問：高頻接地噪聲如何測量?
答：使用合適的寬頻帶儀表放大器測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)上有兩個線圈，每線圈6～10匝。為了構(gòu)成一個高頻隔離變壓器，一個線圈連到頻譜分析儀輸入端，另一個線圈連到探頭。
測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60dB。

10、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是不能忽略的。為了計算直導(dǎo)線和導(dǎo)電帶的電感，這里介紹兩個近似方法。
例如1cm長，0.25mm寬的導(dǎo)電帶形成的電感為10nH。
導(dǎo)線電感=0.0002Lln2LR-0.75μH
例如：長1cm外徑0.5mm的導(dǎo)線電感量為7.26nH(2R=0.5mm,L=1cm)
導(dǎo)電帶電感=0.0002Lln2LW+H+0.2235W+HL+0.5μH
例如：長1cm寬0.25mm印制線路板導(dǎo)電帶的電感為9.59nH(H=0.038mm,W=0.25mm,L=1cm)。
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，因為感應(yīng)電壓正比于回路面積。在線路接線使用雙絞線時這一點很容易做到。
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。有時需要磁場屏蔽，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。

11、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。對于使用類似電阻器這樣的簡單元件應(yīng)該輕松一點兒，請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的小圓柱作用恰恰類似一種純電阻。實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1～3pF)。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)線圈按順時針方向纏，另一半線圈按照逆時針方向纏，以便使兩半線圈產(chǎn)生的電感互相抵消)也有1μH或更大的剩余電感。對于大約在10kΩ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)10pF，高于標(biāo)準(zhǔn)薄膜或合成型電阻器的電容量。當(dāng)設(shè)計含有電阻器的高頻電路時一定要認(rèn)真地考慮這種電抗。

12、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量，雜散電感和雜散電容在這種應(yīng)用中沒有關(guān)系，對嗎?
答：對。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，在幾百或幾千兆赫頻帶內(nèi)有時可能出現(xiàn)振蕩。與振蕩有關(guān)系的偏移和整流作用對低頻精度和穩(wěn)定性都會有壞的影響。
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1?5GHz以上)頻譜分析儀來檢驗系統(tǒng)有沒有寄生振蕩。當(dāng)輸入在整個動態(tài)范圍變化時，應(yīng)該做這種檢查，因為寄生振蕩有時出現(xiàn)在輸入頻帶很窄的范圍內(nèi)。

13、問：對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ppm/°C(每攝氏度百萬分之一)變化到幾千個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)有時很有用(以前的“應(yīng)用工程師問答”中曾提到如何利用+3500ppm/°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)的兩個電阻器的匹配，那么在一個溫度條件下不論匹配得多么好，在另一個溫度條件下都不會匹配。即使兩個電阻器的溫度系數(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(或者甚至幾千個)ppm／℃。顯而易見的解決方法是使用的兩個電阻器在制造時使它們都非?？拷粋€基體，這樣不論什么時候都能很好地達(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(因為它們非常靠近)。