印制線路板問(wèn)題

問(wèn)：前面介紹了有關(guān)單純電阻的問(wèn)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(wèn)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(méi)問(wèn)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(wèn)：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0038 mm，寬度為025 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018 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，見(jiàn)圖131。

圖131 印制線路板導(dǎo)電帶的形成電阻

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(wèn)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。總之，在所有可能出現(xiàn)問(wèn) 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(wèn)：寬度過(guò)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(wèn)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(lái)問(wèn)題(見(jiàn)圖132)。倘若帶來(lái)問(wèn)題 ，可去掉一小塊接地平面的面積，以減小對(duì)地的電容。

圖132 印制線路板導(dǎo)電帶形成的電容

問(wèn)：這個(gè)問(wèn)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(lái)接地，那么這就是我們所說(shuō)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(wèn)：這里所說(shuō)的接地平面對(duì)制造廠家來(lái)說(shuō)很困難，對(duì)嗎?

答：在20年前這方面確實(shí)有些問(wèn)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(wèn)：你說(shuō)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(lái)的接地 噪聲問(wèn)題還有什么不能解決?

答：一個(gè)接地噪聲系統(tǒng)的基本電路如圖133所示。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(guò)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(wèn)題就能減到最小。有時(shí)在接地平面上斷開(kāi)或開(kāi)縫可以使大的接

圖133 接地噪聲系統(tǒng)基本電路

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(wèn)：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(guò)的導(dǎo)電帶的長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算，不 過(guò)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，如 圖134所示。

圖134 用儀表放大器和示波器測(cè)量接地平面的電壓 降
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(kāi)，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(lái)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(wèn)：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(lái)，這可以用探頭相互 短路來(lái)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(méi)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(wèn)：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(wú)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，每個(gè) 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。