V první části našeho malého úvodu byly vedle jednotek ppm nebo drift / √(kHr) definovány i základní vlastnosti a parametry napěťové reference v podobě

• 1) Výchozí, někdy také počáteční přesnosti (Initial Accuracy)
• 2) Teplotního driftu (Temperature Drift)
• 3) Dlouhodobé stability (Long Term Stability)
• 4) Teplotní hystereze (Thermal Hysteresis)

Následující pokračování pak na základě konkrétních příkladů stanovilo rozdíly dvou základních typů, tj.

• 1) Paralelní (bočníkové) reference (Shunt Reference)
• 2) Sériové reference (Series Reference)

Třetí díl nás zase provedl polovodičovou výbavou samotného čipu. Zmínili jsme zde

• 1) Zenerovu referenci (Zener – Based Reference, Buried Zener („pohřbená zenerka“))
• 2) Referenci typu bandgap (Bandgap Reference) a konečně také
• 3) Dílčí bandgap referenci (Fractional Bandgap Reference)

Ve čtvrtém pokračování jsme naznačili, jak si „vybrat tu pravou“ tak, abychom s ní byli spokojeni. Článek byl veden formou 24 otázek a také 24 bezprostředních odpovědí.

Naposledy jsme pak zaměřili svou pozornost na některá úskalí, která nás mohou při práci s referenčním napětím potkat. Jednalo se o

• 1) Potíže s hladovou zátěží (Current-Hungry Loads)
• 2) Vývody které nikdo nechce (“NC” Pins)
• 3) Úklid před (i pod) vlastním čipem (Board Leakage)
• 4) Trimování bez přidaného teplotního driftu (Trim-Induced Temperature Drift)
• 5) Zahoření, které nemusí vždy znamenat zahoření jasným plamenem (Burn – In)

Ve výčtu nástrah i jejich řešení dnes budeme pokračovat. Čekají nás další dva body:

• 6) Život v průhybu aneb jednou jsi nahoře a jindy zase dole (Board Stress) a
• 7) "Foukej, foukej větříčku..." nebo raději ne (Temperature-Induced Noise)

6) Život v průhybu aneb jednou jsi nahoře a jindy zase dole (Board Stress)

Samotné zahoření (Burn-in, viz také předchozí díl) vhodně napomáhá odlehčení osazené desky s plošnými spoji. Nesmíme však přitom zapomenout, že po finálním umístění do koncového zařízení bude i tak docházet k dalšímu mechanickému namáhání. Vliv takového namáhání přitom můžeme rovnou vysledovat a to přímo na výstupu referenční struktury; bude – li se např. měnit v určitém časovém intervalu, může začít vystupovat jako nežádoucí dlouhodobý drift (long-term drift). Plošné spoje nebývají absolutně pružné. Síly, které způsobily zkoumaný průhyb a také následnou deformaci, proto mohou rovněž stát i za trvalou skokovou změnou referenčního napěťového výstupu. Součástky, dodávané v kovových pouzdrech (např. TO-5 a TO-46; žel, tu a tam se v dokumentaci můžeme setkat s nálepkou Obsolete Package, tj. „vykopávka“ - viz např. 5 V referenci Linear Technology typu Bandgap s označením LT1029 / LT1029A, u které 3vývodové kovové pouzdro TO-46 nakonec ustoupilo plastovému TO-92) jsou vůči mechanickému namáhání z velké části imunní. Může za to

• tuhost pouzdra a také
• přizpůsobivost vývodů.

Moderní plastová provedení nebo pouzdra, určená pro povrchovou montáž, zase tvoří opačný protipól.

Obr. 1: Příklad konkrétního provedení 8vývodového kovového pouzdra TO-5 (precizní napěťová reference Linear Technology REF-01 / REF-02).

A nyní něco praktického...

Budeme – li chtít posoudit dopady mechanického namáhání plošného spoje, zkusíme jej rozumně „ohýbat“ a sledovat přitom, jak se na to bude „tvářit“ výstup napěťové reference. Co myslíte, jak to asi může dopadnout?

Pro náš řízený experiment jsme si vybrali napěťovou referenci LT1460CS8-2.5, určenou pro povrchovou motáž. Součástka byla osazena do středu obdélníkového plošného spoje o rozměrech

• 7" x 9",

tak jak to vidíme na obr. 2. Desku jsme pak ve čtyřech krocích vychylovali z její přirozené roviny o

• 18 mil (mil = tisícina palce, tj. 0,0254 mm) na palec.

Na obr. 3 vidíme, jaký měl náš pokus dopad na výstup jednoho reprezentativního vzorku, zatěžovaného osmi průhybovými cykly.

Obr. 2: Odolnost referenční struktury vůči mechanickému namáhání jsme vyhodnotili pokusem, při kterém byl obvod osazen na plošný spoj o rozměrech 7" x 9" a následně ve čtyřech krocích ohýbán.

Obr. 3: Potlačení pnutí za výrazného přispění drážky na plošném spoji vede k zásadnímu snížení výstupních změn (porovnejte rozkmit původní chyby s výchozí úrovní, naměřenou po jednoduché mechanické úpravě); platí pro obvod LTC1460S8-2.5.

Původní, nikterak neupravovaná deska s plošnými spoji vykazovala v otázce výstupní chyby špičkový rozkmit okolo

• 60 ppm.

Pak dostala slovo vertikální fréza, která vymezila plochu o rozměrech

• 0.5" x 0.5",

symetricky obklopující testovanou referenci (viz také obr. 2). Pokus, který se od provedené změny následně odvíjel, prokázal snížení nežádoucích změn výstupního napětí a to až na úroveň rozlišení měřidla, která činí

• 10 μV, resp. cca 4 ppm špička – špička.

V praxi to pak znamená desetinásobné zlepšení v otázce posunu napěťového výstupu, vynuceného mechanickým namáháním.

K vyloučení popisovaného vlivu lze ale dospět i jinými způsoby, při kterých frézu neuslyšíme. Cokoli, co ve výsledku zabrání průhybům plošného spoje, bude užitečné.

• Malá, tlustá deska

v tomto ohledu poslouží lépe, než velká a ještě k tomu tenká. Dobrou službu mohou prokázat i nejrůznější

• výztuhy,

zabraňující nechtěným průhybům. Abychom vystačili s minimální vynaloženou silou, využijeme k finální montáži již osazených plošných spojů rovněž

• průchodky,
  
• pružné dorazy nebo také
  
• rámy, určené pro zásuvné karty.

Přemýšlet bychom však měli začít již mnohem dříve, nejpozději tehdy, kdy ještě lze ovlivnit

• umístění i samotnou orientaci

referenční součástky. Stiskneme – li desku plošného spoje mezi jejími protilehlými hranami, budou mít ohybové síly snahu o koncentraci svých účinků, vedoucích středem zkoumaného vzorku.

• Uprostřed desky s plošnými spoji tedy pro reference místo není, ani se je tam nepokoušejme osazovat.

Není těžké si představit, která strana desky bude více pružit. Ano, jedná se o tu delší. Z tohoto zjištění pak vyplývá další, opět zcela obecné doporučení:

• Osazujme reference podél kratších hran použité desky plošných spojů.

Už to tak prostě a jednoduše bude:

• Zvolené umístění,
• způsob montáže a také
• orientace dalších součástek včetně jejich příslušenství

ovlivňují a také spoludefinují mechanické přednosti i slabůstky každého plošného spoje. Provedené testy ukazují, že „nejsilnější osa“ plastového zapouzdření vede rovnoběžně s kratším rozměrem. Na obr. 4 tak můžeme zachytit správnou orientaci součástek, určených pro povrchovou montáž. Stojí za zmínku, že nejdelší hrana použité součástky a související nejdelší hrana plošného spoje vzájemně svírají 90 stupňů. Za umístění součástky na obr. 4 přímo do středu plošného spoje se omlouváme – jedná se jen o ilustraci, ve které nechceme nikterak zpochybnit poznatky, uvedené výše.

Přesto se však, navzdory všem výše zmiňovaným preventivním opatřením, setkáváme s vlivy, které stále nepříznivě ovlivňují odolnost napěťové reference vůči mechanickému namáhání plošného spoje. Takže pozor na

• zbytky lepidel,
  
• past i dalších, zejména pak
  
• tvrdých materiálů, použitých během pájení,

které se rády ukrývají někde pod pouzdrem, kde vytváří tlakové body a způsobují tak zcela nepředvídatelné pnutí v integrovaném obvodu. Byl – li zase plošný spoj vystaven nepřiměřenému ohybu, mohlo dojít k

• narušení vláken nebo dokonce celých vrstev,

a tudíž i ke snížení výsledné pevnosti. Další mechanické namáhání desky pak dílo zkázy v takto oslabených bodech jen dokoná.

Na obr. 5 vidíme několik možností, kterak náležitě vyřešit drážkování plošného spoje okolo napěťové reference s přihlédnutím k optimální orientaci samotného pouzdra. Stojí za zmínku, že se vše bude odvíjet od

• nejdelšího rozměru referenčního obvodu

a ne od nejkratšího rozměru plošného spoje. Tak to i odpovídá očekávanému přenosu ohybové síly směrem k našemu frézovanému bloku. Nejlepší možná orientace se pak bude shodovat s osou nejdelšího rozměru desky plošného spoje, tak jak to vidíme v případě varianty b), c) a d). Síly, které působí v souvislosti se „slabším“ (tj. delším) rozměrem plošného spoje, se zase mohou navázat v případě a) nebo e), proto jsme také vhodně upravili orientaci obvodů, které tak mohou lépe odolávat nepříznivým mechanickým vlivům.

• Variantu c) proto použijeme tehdy, bude – li součástka situována podél delší hrany plošného spoje,
• verzi d), nacházíme – li se u hrany kratší a
• b), nevstupuje – li do hry hrana žádná.

Obr. 4: Budou – li osy, odpovídající nejdelšímu rozměru plošného spoje i pouzdra vzájemně kolmé, minimalizovali jsme dopad mechanického pnutí na změny výstupního napětí.

Obr. 5: K izolaci mechanického pnutí plošného spoje slouží speciální drážky, frézované okolo reference. Jen s nimi musíme vhodně nakládat – viz text.

7) "Foukej, foukej větříčku..." nebo raději ne (Temperature-Induced Noise)

Ačkoli napěťové reference zpravidla vystačí s velmi malými odběry z napájecího zdroje, přesto mohou vzniklé ztráty stačit na výrobu malých teplotních gradientů, vyskytujících se na vývodech pouzdra (přívodech). Změny teplotního odporu, způsobené nestejnoměrným průtokem vzduchu, vedou k rozdílným teplotám vývodů, čímž na výstupu referenční struktury vytváří prostor pro

• šum, generovaný termoelektrickým napětím.

Šokujícím způsobem si to znázorníme na obr. 6. Referenci typu Buried Zener s označením LT1021H-7 jsme v první polovině testu izolovali od okolního prostředí (přirozeného proudění vzduchu) prostřednictvím malého, speciálně uzpůsobeného nápojového kelímku (Dart Container Corporation Stock No. 8J8 nebo něco podobného). Po šesti minutách jsme kryt odstranili, aby tak mohla začít druhá, mnohem zajímavější polovina experimentu. V obou případech jsme se přitom pohybovali v laboratorním prostředí. Také jsme dbali na to, aby na stole nedocházelo k nežádoucím turbulencím z klimatizace, při otevírání nebo zavírání dveří, přecházení z místa na místo či od našeho „difuzoru, model 547“ (autor zřejmě cítil potřebu pochlubit se vybavením svého pracoviště). To, jaké výstupní šumy jsme po odkrytí v pásmu 0.01 Hz až 10 Hz naměřili, tak to snad ani nepotřebuje komentář!

Při hledání hlavního viníka je třeba zdůraznit vývody pouzdra TO-5, vyrobené z

• Kovaru,

pracující proti běžně užívaným, měděným trasám. Měděné vývody, používané v pouzdrech DIP a také u těch, určených k povrchové montáži, nevykazují ani zdaleka takovou citlivost vůči vzdušným turbulencím, protože se k sobě vlastně hodí. Nicméně, i tak budou externí součástky vytvářet termočlánky sobě vlastní s potenciály

• 10 μV/°C a více,

vztažené na jeden přechod. V případě napěťové reference LT1021-7 to třeba znamená posun o více než

• 1 ppm/°C

od každého termoelektrického generátoru. Teplotní gradienty, vznikající napříč plošným spojem, umocněné ztrátami na připojených součástkách, pak mohou vést ke stejné povaze šumu jako na obr. 6.

Obr. 6: Vzdušné víry generují nízkofrekvenční šumy, které zbytečně zhoršují dosahovanou přesnost napěťové reference

Za teplotními gradienty mohou stát tepelné generátory, rozmístěné po celém plošném spoji. Co z toho tedy pro nás vyplývá? Tak předně, umístěme naše drahé reference, včetně jejich nezbytných externích prvků,

• co nejdál od zdrojů tepla

a pokud to bude nutné, pokusme se pro referenční strukturu vyrobit i nějaký ten

• izotermický ostrůvek.

Můžeme také minimalizovat pohyb vzduchových částic a to buď

• přidáním malého přehrazení nebo rovnou opětovným
• zapouzdřením referenční struktury,

třeba do nějaké samo – expandující polyuretanové pěny.

Závěr:

Přesnost referenčního výstupu bývá funkcí celé řady proměnných. Dnes jsme si ukázali, jak si v této věci příznivě naklonit mechanické vlivy i proudění vzduchu.

Použitá literatura:

• [1] http://cds.linear.com/docs/Application%20Note/an82f.pdf
• [2] http://cds.linear.com/docs/Datasheet/ref012fd%20pdf.pdf
• [3] http://cds.linear.com/docs/Datasheet/1029afa.pdf
• [4] http://www.dartcontainer.com/web/products.nsf/files/M-2109.pdf/$FILE/M-2109.pdf
• [5] http://www.linear.com/

Download a odkazy:

• Domovská stránka Linear Technology: http://www.linear.com/
  • Distributor pro ČR