Hoe vermijd je oscillaties in versterkers en schakelingen?

Bij het ontwerpen van elektronische schakelingen, vooral in radiofrequentie (RF)-toepassingen, is het van essentieel belang te zorgen voor de stabiliteit van de schakeling en te voorkomen dat ongewenste oscillaties optreden. Oscillaties kunnen niet alleen de prestaties van de schakeling verstoren, maar ook schade veroorzaken of de werking van andere componenten beïnvloeden. Dit hoofdstuk behandelt enkele technieken en overwegingen om oscillaties in versterkers en andere schakelingen te minimaliseren, evenals de impact van indradingscondities en juiste componentplaatsing.

Bij het ontwerpen van versterkers, vooral in RF-toepassingen, is isolatie tussen de versterkingsstadia van cruciaal belang om ongewenste oscillaties te voorkomen. Dit kan bereikt worden door een pi-netwerk tussen de versterkerstadia in te voegen, waarmee wat verzwakking kan worden toegevoegd. Door de invoer van de versterker te verzwakken, kan de versterker de kritieke drempel, die een oscillatie zou kunnen veroorzaken, niet overschrijden. Een ander aspect waar ontwerpers op moeten letten is de belasting van de versterkeruitgangen. Het is belangrijk om geen te grote capacitatieve belasting aan de uitgangen te koppelen, omdat de toenemende capaciteit de faseverschuiving tussen de uitgang en ingang vergroot. Wanneer de faseverschuiving dicht bij 180 graden komt, is het waarschijnlijker dat de versterker begint te oscilleren. Deze capacitatieve belasting hoeft niet noodzakelijk afkomstig te zijn van een fysiek condensator; een lange kabel of andere componenten met een grote ingangscondensatie kunnen eveneens deze capacitatieve belasting veroorzaken. De beste manier om dit te vermijden, is door altijd onder de maximale capacitatieve belasting te blijven die in het datasheet van de versterker wordt vermeld.

Het ontwerpen van versterkers die onder alle omstandigheden stabiel zijn, is een uitdaging, maar het is mogelijk om een versterker te ontwerpen die elke uitvoercapaciteit kan aansteken zonder te oscilleren. Dit soort versterkerontwerpen wordt “onvoorwaardelijk stabiel” genoemd. Het is van bijzonder belang om de in- en uitgangen van de versterker onvoorwaardelijk stabiel te ontwerpen om ongewenste oscillaties te voorkomen.

Verder is het van belang dat, zelfs wanneer je een geautomatiseerd assemblageproces gebruikt, je rekening houdt met de mogelijkheden voor handmatige reparaties. Componenten moeten zodanig worden geplaatst dat ze gemakkelijk toegankelijk zijn voor onderhoud, waarbij je altijd rekening houdt met tolerantiegrenzen en de praktische uitvoering van assemblage en demontage.

Gebruik daarnaast 3D-modellen van de componenten om een goede fit te garanderen voordat de PCB daadwerkelijk wordt gefabriceerd. Veel fabrikanten bieden 3D-modellen van hun componenten die eenvoudig kunnen worden gedownload en geïntegreerd in CAD-software. Dit kan helpen om problemen met de mechanische plaatsing van onderdelen vroegtijdig te identificeren, waardoor je niet voor verrassingen komt te staan tijdens de fabricage.

Bij het ontwerp van een printplaat is het essentieel dat ontwerpers niet alleen technische aspecten, maar ook praktische overwegingen zoals onderhoudsgemak en toegankelijkheid meenemen in hun werk. Door grondige planning en zorgvuldige afweging van alle factoren kun je niet alleen een beter werkende schakeling realiseren, maar ook de kans op toekomstige problemen minimaliseren.

Hoe ontwerp je een robuuste testinfrastructuur voor productie?

Wanneer je eerste prototypes van een product hebt ontworpen en de boards handmatig kunt opstarten, is het tijd om de testinfrastructuur te automatiseren. Dit is essentieel wanneer je niet alleen één of twee borden, maar honderden of zelfs duizenden borden moet testen. Handmatige methoden zoals SPI, I2C of andere communicatiesystemen werken goed voor de eerste stappen, maar zodra het aantal te testen eenheden groeit, moet je overgaan op automatisering.

De testinfrastructuur omvat zowel hardware als software die nodig is om de volledige functionaliteit van een product te verifiëren. Zoals Andrew “bunnie” Huang het uitdrukt, is de testinfrastructuur in feite het product dat je nodig hebt om je eigen product te testen. De nadruk ligt hierbij op het ontwikkelen van een betrouwbare, schaalbare testopstelling die nauwkeurigheid en efficiëntie biedt. Het bouwen van een hoogwaardige testopstelling vereist aanzienlijke tijd en engineering, dus onderschat dit proces niet.

Een veelgebruikte testopstelling is een zogenaamde ‘bed-of-nails’ jig, die lijkt op een soort panini-pers. De printplaat wordt in de jig geplaatst en een deksel wordt gesloten, waarbij speciale pinnen (pogo pins) contact maken met de testpunten op de PCB. Deze pins, die in verschillende vormen beschikbaar zijn (zoals speer-, kroon- of naaldkoppen), hebben verende uiteinden die in de testpunten kunnen drukken. Ze moeten regelmatig worden vervangen, dus het gebruik van persplaatsen voor de pins maakt het onderhoud eenvoudiger.

Het bouwen van zo’n testopstelling kan tussen de $5.000 en $10.000 kosten, afhankelijk van de features. Echter, eenmaal geïnstalleerd, is het vaak mogelijk om de jig eenvoudig opnieuw in te richten voor nieuwe PCB-revisies door alleen een nieuwe plaat voor de pogo pins te maken. Dit bespaart kosten, omdat de basisstructuur behouden blijft. Voor een kleiner budget kunnen gebruikte testopstellingen van eBay of elektronica surpluswinkels een goede optie zijn, mits goed aangepast voor de specifieke testbehoeften.

Naast de fysieke structuur van de testopstelling is het belangrijk om te denken aan de menselijke interactie met de testinfrastructuur. De testopstellingen moeten zo ontworpen zijn dat ze intuïtief zijn, minimale menselijke tussenkomst vereisen en eenvoudig kunnen worden geüpdatet. Het uiteindelijke doel is dat er slechts twee interacties van de gebruiker nodig zijn: het plaatsen van het bord in de jig en het starten van de test, gevolgd door het verwijderen van het bord na afloop van de test.

Voor het bijhouden van testresultaten kunnen spreadsheets handig zijn, vooral bij prototypes of een beperkt aantal eenheden. Dit kan helpen bij het traceren van de status, locatie en eventuele problemen van individuele eenheden. Er zijn ook gespecialiseerde bedrijven zoals Instrumental.com die de volledige testlogistiek kunnen verzorgen, inclusief het monitoren van productielijnen en het verstrekken van gedetailleerde gegevens over de teststatus van elk apparaat.

Het ontwerpen van de tests zelf is eveneens een complexe taak. Gelukkig zijn er wereldwijd standaarden en specificaties die je kunt volgen. Organisaties zoals IEC, FDA, JEDEC en NIST hebben uitgebreide richtlijnen voor testprocedures voor allerlei producten. Deze standaarden behandelen diverse testen, zoals temperatuur- en vochtigheidsomstandigheden, mechanische schokken, elektromagnetische interferentie (EMI), elektrostatische ontlading (ESD) en nog veel meer. Afhankelijk van het type product dat je maakt, kies je de testen die het beste passen bij de omstandigheden waarin het product zal worden gebruikt. Als je bijvoorbeeld een MP3-speler ontwerpt, zijn tests met een water- of zoutoplossing waarschijnlijk niet relevant. Maar als je een radio ontwerpt die in mijnen wordt gebruikt, kunnen dergelijke tests juist essentieel zijn.

Er zijn verschillende testparameters die je zou moeten overwegen voor de validatie van je ontwerp. Denk hierbij aan temperatuur, luchtvochtigheid, corrosie, atmosferische druk, vermogenscyclus, spannings- en stroomverbruik, elektromagnetische straling, mechanische schokken, trillingen en bescherming tegen stof of water. Het juiste gebruik van deze tests helpt je niet alleen om een betrouwbaar product te maken, maar ook om problemen vroegtijdig te identificeren en op te lossen.

Naast de technische aspecten van het testen is het cruciaal om te begrijpen dat goede tests niet alleen gaan om het aantonen dat je product werkt, maar ook over het identificeren van mogelijke zwakke plekken die tijdens de productie of het gebruik kunnen optreden. Dit stelt je in staat om verbeteringen aan te brengen en de algehele productkwaliteit te waarborgen. Dit vereist nauwkeurigheid, geduld en het vermogen om elke mogelijke variabele in de testomgeving in overweging te nemen.

Hoe ontwerp je een betrouwbare stroomvoorziening voor je elektronica: Belangrijke overwegingen en ontwerpprincipes

Bij het ontwerpen van elektronica is een van de cruciale aspecten de kracht die nodig is om de verschillende componenten van het systeem van energie te voorzien. Het ontwerp van de stroomvoorziening, het beheer van vermogensbudgetten en de bescherming van de componenten tegen oververhitting en overbelasting zijn fundamentele overwegingen die van invloed zijn op de prestaties en betrouwbaarheid van het uiteindelijke product. Bij het kiezen van een geschikt stroomvoorzieningssysteem is het essentieel om niet alleen naar de nominale spanningen en stromen van de componenten te kijken, maar ook naar andere factoren zoals de efficiëntie van de stroomregeling en de thermische prestaties van de onderdelen.

Het kiezen van de juiste stroomvoorziening begint vaak met het begrijpen van het vermogen dat je systeem nodig heeft. Het zogenaamde ‘power budget’ is hierbij de basis. Dit is een gedetailleerde berekening van hoeveel vermogen elke component van het systeem verbruikt, en het helpt ontwerpers om te bepalen hoeveel energie er precies nodig is en waar het vandaan moet komen. Het vermogen wordt niet alleen verbruikt door de actieve componenten zoals processors of sensoren, maar ook door het netwerksysteem (PDN, Power Distribution Network), dat essentieel is voor het verdelen van de energie over de verschillende delen van het circuit.

Daarnaast is het belangrijk om te zorgen voor een adequate bescherming tegen overbelasting en oververhitting. PTC (Positive Temperature Coefficient) resetbare zekeringen spelen hier een belangrijke rol. Deze fuses beschermen circuits tegen overstromen door hun weerstand te verhogen wanneer ze worden blootgesteld aan een te hoge temperatuur, waardoor de stroom wordt beperkt en schade wordt voorkomen. Deze zekeringen kunnen zichzelf weer resetten zodra ze afkoelen, wat zorgt voor een veilige en herbruikbare oplossing zonder dat er nieuwe onderdelen nodig zijn.

Bij het ontwerpen van het Power Distribution Network (PDN) moet ook de thermische dissociatie goed worden overwogen. Het vermogen dat door de componenten wordt verbruikt, moet op een efficiënte manier worden verdeeld, en daarbij moeten de thermische eigenschappen van de gebruikte materialen, zoals prepreg en PCB-materiaal, goed worden begrepen. Een slechte warmtegeleiding kan leiden tot oververhitting van kritieke componenten, wat de betrouwbaarheid van het systeem kan ondermijnen. Daarom moet het ontwerp van PDN rekening houden met zowel de elektrische als de thermische stroom door het systeem.

Naast deze technische overwegingen speelt ook de naleving van regelgeving een rol bij het ontwerp van de stroomvoorziening. Elektronische systemen moeten voldoen aan normen voor elektromagnetische compatibiliteit (EMC), en in sommige gevallen is certificering nodig voor medische of militaire toepassingen. Dit kan invloed hebben op de keuze van de gebruikte materialen, de afschermingstechnieken en de testmethoden voor het waarborgen van een goed functionerend systeem binnen de vastgestelde normen.

Een ander aspect dat niet over het hoofd mag worden gezien, is de impact van het ontwerp op de productiekosten en de uiteindelijke marktprijs. Het ontwerpen van een betrouwbare stroomvoorziening die zowel efficiënt als kosteneffectief is, vereist zorgvuldig afwegen van verschillende ontwerpoplossingen, zoals het gebruik van goedkope componenten versus duurdere, meer robuuste alternatieven. Door gebruik te maken van volume-aankoopkortingen of door slimme keuzes te maken in de keuze van leveranciers en fabrikanten, kunnen ontwerpers de kosten verlagen zonder concessies te doen aan de kwaliteit of prestaties.

Bij het testen van de stroomvoorziening moet aandacht worden besteed aan de validatie van de prestaties onder verschillende operationele omstandigheden. Dit omvat testen zoals productievalidatietests (PVT), waarbij de werkelijke productie van het product wordt geëvalueerd om te zorgen dat alle componenten onder de verwachte omstandigheden werken. Het testen van de betrouwbaarheid van de stroomvoorziening is een cruciaal onderdeel van dit proces, vooral in toepassingen waar uitvaltijd niet acceptabel is.

Belangrijk is ook het vermogen van het systeem om de juiste feedback te geven over de staat van de stroomvoorziening. Het gebruik van "power good" pinnen is hierbij van groot belang. Deze pinnen geven een signaal door wanneer de spanning binnen het juiste bereik ligt, en kunnen het systeem waarschuwen voor potentiële problemen, zoals overspanning of onderspanning. Dit biedt ontwerpers de mogelijkheid om snel in te grijpen en schade aan het systeem te voorkomen.

De keuze van materialen speelt een cruciale rol in het ontwerp van de stroomvoorziening. Het gebruik van hoogwaardige soldeermaterialen, zoals specifieke legeringen die bestand zijn tegen thermische stress, kan bijdragen aan de algehele betrouwbaarheid van het systeem. Daarnaast moeten de montagetechnieken, zoals het gebruik van reflow soldering of wave soldering, zorgvuldig worden geselecteerd om te zorgen voor een solide verbinding zonder dat er risico op kortsluiting of andere storingen ontstaat.

Tot slot moet er goed worden nagedacht over de duurzaamheid van de stroomvoorziening. In toepassingen zoals draagbare apparaten of producten die onder extreme omstandigheden werken, moet het ontwerp bestand zijn tegen invloeden zoals schokken, temperatuurfluctuaties en andere omgevingsfactoren. Het kiezen van de juiste beschermingsmaterialen, zoals conformale coatings, kan helpen om de levensduur van het systeem te verlengen door te zorgen voor extra bescherming tegen omgevingsinvloeden.