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普遍适用的高速模拟电路的PCB布线设计

这里主要针对与高速运算放大器有关的电路,但是这里所讨论的问题和方法对用于大多数其它高速模拟电路的布线是普遍适用的。当运算放大器工作在很高的射频(RF)频段时,电路的性能很大程度上取决于PCB布线。PCB图纸上看起来很好的高性能电路设计,如果由于布线时粗心马虎受到影响,最后只能得到普通的性能。在整个PCB布线过程中预先考虑并注意重要的细节会有助于确保预期的电路性能。

一、旁路电源

在放大器的电源端旁路电源以便降低噪声是PCB设计过程中一个很重要的方面——包括对高速运算放大器还是其它的高速电路。旁路高速运算放大器有两种常用的配置方法:

1、电源端接地

这种方法在大多数情况下都是最有效的,采用多个并联电容器将运算放大器的电源引脚直接接地。一般说来两个并联电容就足够了——但是增加并联电容器可能给某些电路带来益处。并联不同的电容值的电容器有助于确保电源引脚在很宽的频带上只能看到很低的交流(AC)阻抗。这对于在运算放大器电源抑制比(PSR)衰减频率处尤其重要。该电容器有助于补偿放大器降低的PSR。在许多十倍频程范围内保持低阻抗的接地通路将有助于确保有害的噪声不能进入运算放大器。

在低频段,大的电容器提供低阻抗的接地通路。但是一旦频率达到了它们自身的谐振频率,电容器的容性就会减弱,并且逐渐呈现出感性。这就是为什么采用多个电容器是很重要的原因:当一个电容器的频率响应开始下降时,另一个电容器的频率响应开始其作用,所以能在许多十倍频程范围内保持很低的AC阻抗。

直接从运算放大器的电源引脚入手;具有最小电容值和最小物理尺寸的电容器应当与运算放大器置于PCB的同一面——而且尽可能靠近放大器。电容器的接地端应该用最短的引脚或印制线直接连至接地平面。上述的接地连接应该尽可能靠近放大器的负载端以便减小电源端和接地端之间的干扰。

2、电源端到电源端

另外一种配置方法采用一个或多个旁路电容跨接在运算放大器的正电源端和负电源端之间。当在电路中配置四个电容器很困难的情况下通常采用这种方法。它的缺点是电容器的外壳尺寸可能增大,因为电容器两端的电压是单电源旁路方法中电压值的两倍。增大电压就需要提高器件的额定击穿电压,也就是要增大PCB外壳尺寸。但是,这种方法可以改进PSR和失真性能。因为每种PCB电路和布线都是不同的,所以电容器的配置、数量和电容值都要根据PCB的实际电路的要求而定。

二、寄生效应

所谓寄生效应就是那些溜进你的PCB并在电路中大施破坏、头痛令人、原因不明的小故障(按照字面意思)。它们就是渗入高速电路中隐藏的寄生电容和寄生电感。其中包括由封装引脚和印制线过长形成的寄生电感;焊盘到地、焊盘到电源平面和焊盘到印制线之间形成的寄生电容;通孔之间的相互影响,以及许多其它可能的寄生效应。

在PCB的高速电路中,很小的值就会影响电路的性能。有时候几十个皮法(pF)的电容就足够了。相关实例:如果在反相输入端仅有1 pF的附加寄生电容,它在频率域可以引起差不多2 dB的尖脉冲。如果寄生电容足够大的话,它会引起PCB电路的不稳定和振荡。

带状电感是另外一种需要考虑的寄生效应,它是由于印制线过长或缺乏接地平面引起的。高速运算放大器同相输入端长度为2.54 cm的印制线的影响,其等效寄生电感为29 nH(10-9H),足以造成持续的低压振荡,会持续到整个瞬态响应周期。通孔是另外一种寄生源;它们能引起寄生电感和寄生电容。因此在给PCB布线时一定要时刻保持戒备,要将寄生效应的影响降至最小。

三、结束语

电路设计工程师和布线设计工程师之间的紧密配合是根本,尤其是关于器件和接线的位置问题。需要考虑的问题包括旁路电源,减小寄生效应,采用接地平面,运算放大器封装的影响,以及布线和屏蔽的方法。

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本文章由 PCBH 于2017年05月13日发布在PCB基础知识分类下,
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