印制線路板問題

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，025 mm寬的導(dǎo)電帶形成的電感為10 nH，見圖135。
導(dǎo)線電感=00002Lln2LR-075 μH
例如：長1 cm外徑05 mm的導(dǎo)線電感量為726 nH (2R=05 mm,L=1 cm)
導(dǎo)電帶電感=00002Lln2LW+H+02235 W+HL+05μH
例如：長1cm寬025 mm印制線路板導(dǎo)電帶的電感為959 nH( H=0038mm,W=025 m m,L=1 cm)。
圖135 導(dǎo)線和導(dǎo)電帶在高頻條件下形成的電感
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。回路面積必須被減到 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，見圖13 6(a)。
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)，見圖137。 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

圖137 實(shí)際電阻的電抗作用
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?們非?？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)

圖138 AD533接線圖

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)。