Projektowanie layoutu płytek PCB jest kluczowym zagadnieniem zapewniającym efektywną pracę obwodu – równie wymagającym, co projekt samego obwodu. Słaby layout może pogorszyć parametry systemu, wprowadzając rezystancje upływu, dryft napięcia i pasożytnicze pojemności, a także wiele innych niepożądanych efektów. Szczególnie w przypadku PCB zawierających wzmacniacze operacyjne, słaby projekt może wpłynąć na napięcia niezrównoważenia i powodować dryft zależny od temperatury.

Efekt złącza termopary

Gdy dwa różne przewodniki lub półprzewodniki są połączone, a powstałe złącze zostanie podgrzane, na styku materiałów pojawia się napięcie. To zjawisko nosi nazwę efektu Seebecka lub efektu termoelektrycznego. Taka konfiguracja jest nazywana złączem termopary, a napięcie powstałe na skutek zjawiska Seebecka jest zwane napięciem termoelektrycznym, lub bardziej ogólnie – siłą elektromotoryczną (EMF). Siła elektromotoryczna (napięcie) jest proporcjonalna do temperatury absolutnej złącza i zmienia się z gradientem temperatury, powodując dryfty, które w końcowym rezultacie wpływają na pracę systemu.

Rys. 1. przedstawia typową termoparę. Złącze dwóch metalowych przewodów ma określoną temperaturę oznaczoną jako T_HJ, zatem między nimi na skutek zjawiska Seebecka powstaje napięcie (V₁, V₂ w temperaturze T_CJ i V₃ w temperaturze T_HJ.

Rys. 1. Termopara złożona z dwóch przewodów

Podczas projektowania płytki PCB może powstać kilka złączy termopar, które będą zwiększały całkowity błąd takiego systemu. Przykłady termopar obejmują komponenty przylutowane do miedzianego padu, zworki, luty, rezystory i inne elementy. Wymienione złącza mogą generować siłę elektromotoryczną rzędu 200 nV/°C. Dla porównania, jest to siedem razy więcej, niż maksymalny dryft podany w specyfikacji rodziny MCP6V9x – wzmacniaczy operacyjnych produkowanych przez Microchip Technology.

Rys. 2. przedstawia napięcie EMF powstałe na skutek zjawiska Seebecka w funkcji temperatury dla standardowej termopary typu K. Charakterystyka nie jest zupełnie liniowa, jednak na potrzeby obliczeń może zostać zlinearyzowana w małym zakresie temperatur, na przykład ± 10°C. Większość złączy termopar spotykanych na płytkach PCB zachowuje się podobnie.

Rys. 2. Charakterystyka termopary typu 2. (Źródło: Microchip Technology)

Przykład: Rezystor

Na rys. 3. widać rezystor do montażu powierzchniowego złożony z trzech typów przewodników, zawierający 4 złącza. Każde z tych złączy będzie wytwarzać pod wpływem temperatury siłę elektromotoryczną, która może negatywnie wpłynąć na dokładność obwodu.

Rys. 3. Rezystor do montażu powierzchniowego

Przypadek 1: Poziomy gradient temperatury

Rys. 4. Rezystor w przypadku 1

Ten przypadek zakłada, że temperatura mienia się w kierunku poziomym – od lewej do prawej, a w kierunku pionowym zmiana nie występuje. Przy założeniu następujących parametrów całkowite napięcie termoelektryczne wyniesie -38 µV:

• Temperatura złącza 1 jest równa 125°C
• Gradient temperatury wynosi 10°C na cal
• Napięcie lewej ścieżki miedzi jest równe 0 V
• Wymiary rezystora to 1206 (0,12 x 0,06 cala)

To oznacza, że napięcie ścieżki miedzianej przylegającej do złącza 3. jest równe -38 µV. Jest to wartość zbyt duża w porównaniu do typowego napięcia niezrównoważenia wzmacniaczy operacyjnych wysokiej precyzji. Do porównania otrzymanych wartości może posłużyć wzmacniacz operacyjny Microchip MCP6V61 z zerowym dryftem. Jego maksymalne początkowe napięcie niezrównoważenia wynosi jedynie 8 µV, a maksymalny dryft temperaturowy tego napięcia jest równy 15 nV/°C. Projektanci muszą wybrać układy precyzyjne niewrażliwe na wydzielane ciepło oraz tak rozmieścić komponenty, aby zminimalizować powstające napięcia termoelektryczne.

Przypadek 2: Pionowy gradient temperatury

Rys. 5. Rezystor w przypadku 2

Na rys. 5. temperatura zmienia się pionowo (od góry do dołu). W tym przypadku wszystkie złącza maja tą samą temperaturę. Napięcie w funkcji temperatury jest opisane wzorem:

Szczegółowe zastosowanie tego wzoru jest opisane w nocie aplikacyjnej Microchip AN1258 – Op Amp Precision Design: PCB Layout Techniques.

Sposoby minimalizacji błędów powodowanych temperaturą

Istnieją techniki zapobiegające powstawaniu dużych gradientów temperatury na komponentach o krytycznym znaczeniu:

• Obniżenie emitowanego ciepła. Jest to dość proste do osiągnięcia w przypadku komponentów o małej mocy dołączanych do płytki. Przykładowe możliwości obejmują:

• wymiana wartości lub przeniesienie kłopotliwego rezystora
• zwiększenie wartości rezystancji obciążenia i innych rezystorów, co przekłada się na mniejszą wydzielaną moc
• użycie zasilaczy o niskiej mocy

• Zmiana kierunku przepływu ciepła. Podstawowym celem w tym przypadku jest uzyskanie stałej temperatury obszarów o krytycznym znaczeniu. Przykładowe techniki obejmują:

• rozpraszanie ciepła komponentów w otaczającym powietrzu poprzez dodanie radiatorów w krytycznych punktach. W przypadku płytek PCB pożądanymi typami radiatorów są płaszczyzny masy lub zasilania.
• izolację termiczną komponentów o krytycznym znaczeniu od zewnętrznych źródeł ciepła można uzyskać, umieszczając te źródła jak najdalej od krawędzi PCB, a następnie rozmieszczając komponenty jak najdalej od tej krawędzi.

Rozwiązania oferowane przez Microchip Technology

Firma Microchip oferuje bogatą rodzinę energooszczędnych, precyzyjnych wzmacniaczy operacyjnych i pomiarowych, które mogą spełnić wymagania każdego projektu – jeśli musi on pracować przez dłuższy czas na zasilaniu bateryjnym i zapewnić niskie wejściowe napięcie niezrównoważenia oraz dryft. Oferta układów o zerowym dryfcie Microchip obejmuje rozwiązania w topologii auto-zero: modele MCP6V01/2/3, MCP6V06/7/8 oraz MCP6V26/7/8. Z kolei modele typu wzmacniacz z przetwarzaniem to MCP6V11, MCP6V12, MCPV14, MCP6V31, MCP6V32, MCP6V34 oraz MCP6V61, MCP6V62 i MCP6V64. Układy te cechują się niskimi wejściowymi napięciami niezrównoważenia już od 2 µV, maksymalnym dryftem temperaturowym 15 nV/°C, wysokimi współczynnikami CMRR oraz PSRR, a także dużą odpornością na interferencje elektromagnetyczne.

Podsumowanie

Złącza termopar są nieuniknionym elementem występującym na płytkach PCB. Dobry projekt płytki pozwala uniknąć wpływu zjawiska Seebecka, który prowadzi do powstania siły termoelektrycznej na tych złączach. Możliwe rozwiązania obejmują zmniejszenie ilości ciepła generowanego przez płytkę PCB, zmianę przepływu ciepła oraz zapobieganie gwałtownym zmianom temperatury. Jednak nie jest to wystarczające dla projektantów obwodów wysokiej precyzji, wykorzystujących precyzyjne komponenty takie jak wzmacniacze o zerowym dryfcie w ofercie Microchip. Projektant musi również zapewnić, że pozostała część projektu minimalizuje poziom występujących błędów i pozwala w pełni wykorzystać precyzję osiąganą przez te układy.