面包板电路稳定性

无焊试验板也叫面包板

很多人都说面包板不适用于高频电路。虽然这种说法有一定的道理,但你可以使用一些技巧来提高原型电路的性能。大多数这些想法都与基本的管理措施有关,这些措施适用于从原型面包板到完整生产印刷电路板(PCB)的所有电路。接地和使用轨道旁路电容是电路稳定性的一些最重要的考虑因素。

应用于面包板时,接地是许多电路元件共享的共同连接。在理想的情况下,它提供了一个零电阻节点。在生产印刷电路板(PCB)中,设计人员可以自由地使用连续的铜段作为接地。例如,在双面PCB板中,设计人员可以使用PCB板的整个底部。对于更复杂的电路板,可能会使用其中一个内层作为接地平面。不幸的是,面包板不能使用这个选项。

更糟糕的是,我们知道面包板的连接不太理想。实验表明,每个接触的电阻为50 mΩ,每英寸线性电阻为11 mΩ。从这个角度来看,用30 AWG细线构造的电路可能比面包板的电阻低。

电阻并不是面包板唯一的问题。各种元件之间还有电容。由于电线的长度长,还有电感。综上所述,我们可以开始理解为什么面包板的声誉如此之差。我们冒着构建电路的风险,这些电路容易产生高频振荡、噪音、充当天线接收和广播能量的长导线,以及不稳定的逻辑转换。

那么,我们能做些什么来让事情变得更好呢?

针对逻辑电路的缓解方案

逻辑电路最好归为高频电路。这种说法似乎违反直觉,特别是当我们考虑时钟频率小于1 MHz的电路时。要理解这句话,我们需要考虑傅里叶的教训。具体来说,就是方波的特性。回想一下,方波可以被描述为奇数次谐波的总和。这意味着一个相对低频的方波会有高频谐波。例如,1 MHz方波在3、5和7 MHz处具有很强的频谱成分。

有几种方式来看待这个问题。一种观点将关注整个面包板的电阻和分布电容。这将倾向于衰减高频信号成分。可以把它想象成一个适用于所有信号的低通滤波器。这就产生了边缘圆润的方波,从而消除了高频成分。

从另一个角度来看,我们看到了与长导线相关的电感。这是与电容相反的问题。而不是减慢信号(四舍五入,或低通滤波),电感导致电压尖峰。在极端情况下,这可能导致一种称为地反弹的情况。这是一种电感相关现象,与集成电路(IC)相关的地相对于真实地跳变。它可以移动到这样一个程度,它会导致IC触发。其结果是一个不稳定的数字系统,很难排除故障。

适当的接地和旁路技术可以缓解这两个问题。让我们用下图所示的面包板来说明。我们假设这两组导轨都将用于Vcc和接地。然后我们可以安装跳线,如图所示。虽然不太理想,但是可以看到Vcc和接地都形成了一个数字8。这种并联结构降低了导轨之间的电阻并降低了电感,因为任何给定连接的引线长度都较短。

接下来,我们在导轨上添加低频旁路电容。10到100 uF范围内的电解电容适用于大多数电路。然后我们添加高频旁路电容。这些电容安装在尽可能靠近每个IC的电源引脚的地方。在我看来,这些是少数几个可能直接飞过IC顶部的组件之一。实际值并不重要,传统上使用0.1 uF值。

完成这些初步步骤后,现在就可以构建逻辑电路了。尽量保持所有的电线都很短。不幸的是,会有一些妥协,因为短线不一定是整齐的线。

缓解模拟和混合信号电路

数字逻辑内务管理的所有规则都适用于具有数字和模拟组件的模拟电路和混合电路。为了我们的目的,让我们进一步将术语“混合”定义为具有数字设备(如微控制器)和几个模拟设备(如运算放大器)的电路。这种电路通常包括多个电源,包括3.3、-12和12 VDC。这立即带来了一个问题,因为在逻辑电路解决方案中识别的数字8环丢失了。我们只剩下一个5.75英寸的轨道用于每个源。

为了开始,我们将再次添加低频旁路电容。通常适用于10至100 uF范围的电容。一定要选择额定电压合适的电容,然后注意极性。如前所述,安装0.1 uF高频旁路电容,尽可能靠近电源进入每个IC。

技术提示 :旁路这个术语在我们的日常语言中是常用的。例如,旁路高速公路带你在大城市的一条路线上行驶。这种可视化同样适用于旁路电容。在这种情况下,电容正在绕过任何AC信号。这包括来自IC内部或IC外部的AC噪声。理想的结果是所有电路的导轨上都是纯直流。

高频噪声通常需要在靠近IC的地方使用一个小电容,而低频则使用较大的电容。这里较低的频率不受导线电感的影响。

模拟电路确实具有与小信号相关的另一层次的复杂性。电噪声可以进入电路,然后与小模拟信号一起被放大。这种增加的噪声会影响ADC执行的测量。它还可以在音频系统中表现为令人反感的嘶嘶声或咔哒声。

如前所述的绕过将大大减轻这个问题。然而,这可能还不够。特别是当使用多个面包板时,接地回路可能会遇到具有挑战性的问题。电源注入也可能存在问题。回想一下,面包板的电阻比较高。一个小的AC信号在整个轨道的长度上发展并不罕见。虽然这个模拟信号可能只有几毫伏,但它可以与ADC输入或DAC输出的毫伏级信号相互作用。在放大器电路中,可能存在足够的相互作用,导致不稳定甚至完全振荡。

此时,旁路电容的位置就变得很重要了。一般来说,它们应该安装在尽可能靠近低电平模拟信号的地方。同样,所有连接面包板和从面包板的连接都应该尽可能靠近低电平信号。一定要研究一下“星地”和“地环路”的概念,了解更多的信息。

如果这还不够,可能有必要找到面包板以外的解决方案。对于电路的高级原型,可能是时候为你的电路构建一个完整的PCB了。