[RAQ] Szukanie problemu tam, gdzie go nie ma

Pytanie:

Obserwuję często dzwonienie i przestrzały na wyjściu mojego wzmacniacza. Kierowałem się wskazówkami zawartymi w karcie katalogowej i myślę, że layout jest poprawny. Co mogę robić źle?

Odpowiedź:

Tego rodzaju problemy są najbardziej zagadkowe i frustrujące. Inżynieria jest nauką ścisłą, zatem oczekiwalibyśmy, że wynikiem operacji A oraz B zawsze powinno być C. Jeżeli ktoś od dłuższego czasu zajmuje się projektowaniem obwodów, wie jednak, że inżynieria jest również pewnym rodzajem sztuki. Swego czasu otrzymałem od Boba Pease podpisaną kopię jego książki „Troubleshooting Analog Circuits” (link prowadzi do polskiej edycji tej książki). Znalazła się tam inskrypcja:” „Niech wszystkie twoje problemy będą średniej wielkości, aby łatwo było je znaleźć”. Ten cytat zawsze mi się podobał i bardzo chciałbym, aby to stwierdzenie zawsze było prawdą.

Inżynier zadający pytanie podjął trud, aby przeczytać kartę katalogową. To dobry punkt wyjścia, jednak zaskakujące jest, jak wiele osób tego nie robi.

Zaczęliśmy więc badać problem. Pierwszą rzeczą, jaką sprawdziliśmy, był schemat. Szukaliśmy typowych źródeł problemów, jakimi są: wzmocnienie szumu wzmacniacza, kondensatory odsprzęgające, obciążenie i napięcie zasilania. Dlaczego akurat one?

Wzmocnienie szumu wpływa na stabilność wzmacniacza. Gdy margines fazy jest niski, na wyjściu może pojawiać się dzwonienie i przestrzały. Kondensatory odsprzęgające separują szum od wzmacniacza, przechowując ładunek w miejscu dołączenia pinów zasilania. Jest to szczególnie ważne, gdy wzmacniacz potrzebuje stabilnego zasilania i dość dużego prądu, ponieważ stan na jego wyjściu może się gwałtownie zmienić. Gdy napięcie zasilania zmienia się, podczas gdy wyjście za nim nie nadąża, ta zmiana i tak w jakiś sposób uwidoczni się na wyjściu.

Obciążenie może powodować problemy, jeśli pojemność lub indukcyjność okaże się zbyt duża lub też rezystancja obciążenia – zbyt mała. Parametry niektórych wzmacniaczy pogarszają się, gdy napięcia zasilania są zbyt wysokie lub zbyt niskie. Warto zatem porównać rzeczywiste napięcia zasilania z tymi podanymi w karcie katalogowej.

Gdy wszystkie te elementy wyglądają poprawnie, co należy zrobić? Sprawdzać dalej. W kolejnym kroku zwróciliśmy uwagę na layout. Czy znajdowały się tu długie ścieżki z indukcyjnością pasożytniczą? Czy jakieś kondensatory odsprzęgające były umieszczone z dala od pinów zasilania, na skutek czego indukcyjność pasożytnicza mogłaby utworzyć obwód rezonansowy z kondensatorami? Czy powierzchnia masy znajdowała się pod pinami wejściowymi i wejściowymi, tworząc pasożytnicze kondensatory wywołujące dzwonienie i przestrzały? Jednak w tym przypadku również layout wyglądał poprawnie.

Co dalej? Co jeszcze mogliśmy sprawdzić? Czy wejście był odpowiednio dopasowane? Inżynier zauważył słabe dzwonienie na wejściu, ale nie stwierdził niczego poważnego. Jak jednak wiemy, sygnał słabej jakości na wejściu oznacza sygnał słabej jakości na wyjściu – spróbowaliśmy zatem poprawić stan wejścia. Było poprawnie dopasowane, więc podmieniliśmy generator, aby sprawdzić, czy to on stanowi problem. Z nowym generatorem układ pracował nieco lepiej, jednak wejście i wyjście nadal dzwoniły. W tym momencie nastąpiło olśnienie.

Zapytałem inżyniera, czy do sprawdzenia sygnału wykorzystał kabel, czy sondę oscyloskopową. Była to sonda oscyloskopowa, zapytałem więc, czy ma ona zacisk uziemiający. Tak właśnie było – element ten miał około 7 centymetrów. Zgadłem, że to może stanowić problem i zasugerowałem, aby usunął zacisk, odkręcił plastikową osłonę chroniącą wyprowadzenie sondy i wykorzystał metalowy przewód sondy, dołączając go bezpośrednio do masy w pobliżu sygnału. Gdy to zrobił, dzwonienie zniknęło. Co zatem było przyczyną problemu?

Zacisk masy miał indukcyjność szeregową, z kolei sonda miała swą własną pojemność, podobnie jak ścieżki po stronie sondy. Pojemność wraz z indukcyjnością utworzyły obwód rezonansowy, który wpadał w oscylacje pod wpływem szybko narastających zboczy występujących w obwodzie. Z tego powodu na wejściu i na wyjściu pojawiało się dzwonienie i przestrzały.

Stąd kolejna rada: zawsze należy skalibrować sondę oscyloskopu przed wykonaniem pomiarów, gdyż to również może pomóc zmniejszyć zaburzenia sygnału. W ten właśnie sposób udało się rozwiązać kolejny problem.

Znajdowanie problemów z jednej strony wymaga metodycznego podejścia, jednak stanowi też pewną sztukę. Szukanie problemów tam, gdzie ich nie ma, ostatecznie doprowadziło do znalezienia właściwej przyczyny.

O autorze

John Ardizzoni

John rozpoczął pracę w Analog Devices w roku 2002 jako inżynier aplikacyjny w zespole wzmacniaczy wysokiej szybkości. Zanim dołączył do Analog Devices, John przez 20 lat pracował w IBM nad układami RF, a także w firmie M/A-COM. Jest również współtwórcą tej serii artykułów (RAQ). John ma już ponad 30 lat doświadczenia w branży elektronicznej. Jest ponadto autorem wielu artykułów i rozwiązań projektowych.