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技術(shù)專題
高速pcb設(shè)計(jì)（運(yùn)算放大器）
盡管印刷電路板（PCB）在高速電路中具有重要的屬性，但它的布局往往是設(shè)計(jì)過程中的最后一步。高速印刷電路板（pcb電路板）布局有很多方面，本文從實(shí)用的角度討論高速布局問題。我們將討論在提高電路性能、減少設(shè)計(jì)時(shí)間等領(lǐng)域。
雖然重點(diǎn)是涉及高速運(yùn)算放大器的電路，但這里討論的主題和技術(shù)通常適用于大多數(shù)其他高速模擬電路的布局。當(dāng)運(yùn)算放大器在高頻工作時(shí)，電路性能在很大程度上取決于電路板的布局。一個(gè)在紙上看起來不錯(cuò)的高性能電路設(shè)計(jì)，在被粗心或草率的布局所阻礙時(shí)，最后呈現(xiàn)出平庸的性能。提前思考并在整個(gè)布局過程中注意突出的細(xì)節(jié)將有助于確保電路按預(yù)期運(yùn)行。
一、器件示意圖
一個(gè)好的布局是從一個(gè)好的器件示意圖開始的。在繪制器件示意圖時(shí)要考慮周到和大方，并考慮通過電路的信號(hào)流。一個(gè)從左到右自然而穩(wěn)定的流程的器件示意圖在板上也會(huì)有一個(gè)很好的流程。在器件示意圖上盡可能多地輸入有用的信息。從事此項(xiàng)工作的設(shè)計(jì)師、技術(shù)人員和工程師將非常感激。
除了通常的參考標(biāo)志、功耗和公差之外，器件示意圖上還包含哪些信息？這里有一些建議，可以把一個(gè)普通的示意圖變成一個(gè)超級(jí)示意圖！添加波形、有關(guān)外殼或外殼的機(jī)械信息、軌跡長度、隔離區(qū)域；指定哪些組件需要位于電路板頂部；包括調(diào)諧信息、組件值范圍、熱信息、控制阻抗線、注釋、簡要電路操作說明。
二、懷疑一切
如果你不做自己的布局，一定要留出足夠的時(shí)間和布局人一起完成設(shè)計(jì)。此時(shí)有備無患！別指望版面設(shè)計(jì)人員能讀懂你的心思。在布局過程的開始，您的輸入和指導(dǎo)是關(guān)鍵的。你能提供的信息越多，布局過程中參與的越多，最后電路板的性能就越好。制定一個(gè)布局進(jìn)度表，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢查。這種“循環(huán)閉合”防止布局走得太遠(yuǎn)，并將最小化對(duì)板布局的返工。
你對(duì)設(shè)計(jì)者的指導(dǎo)應(yīng)該包括：電路功能的簡要描述；顯示輸入和輸出位置的電路板草圖；電路板堆疊（即電路板有多厚、有多少層、信號(hào)層和平面的詳細(xì)信息、電源、接地、模擬、數(shù)字和射頻）；每個(gè)電路板上需要有哪些信號(hào)層；需要定位關(guān)鍵組件的位置；旁路組件的準(zhǔn)確位置；哪些記錄道是關(guān)鍵的；哪些線路需要控制阻抗線；哪些線路需要匹配長度；組件尺寸；哪些線路需要彼此遠(yuǎn)離（或靠近）；哪些電路需要彼此遠(yuǎn)離（或接近）；哪些組件需要彼此靠近（或遠(yuǎn)離）；哪些組件位于電路板的頂部和底部。原則是能給出的信息越多越好。
三、定位
和房地產(chǎn)一樣，位置決定一切。電路放置在電路板上的位置、單個(gè)電路元件的位置以及附近的其他電路都是關(guān)鍵。
通常情況下，輸入、輸出和電源位置都是有定義的，但它們之間的關(guān)系是需要慎重對(duì)待的，這就是關(guān)注布局細(xì)節(jié)將產(chǎn)生明顯效能的地方。從關(guān)鍵元件的放置開始，包括單個(gè)電路和整個(gè)電路板。從一開始就指定關(guān)鍵組件位置和信號(hào)路徑，確保設(shè)計(jì)按預(yù)期進(jìn)行，降低成本和壓力，縮短周期。
四、旁路電源
對(duì)于高速運(yùn)算放大器和任何其他高速電路，繞過放大器的電源端子以最小化噪聲是PCB設(shè)計(jì)過程的一個(gè)關(guān)鍵方面。有兩種常用的繞過高速運(yùn)算放大器的配置。
管腳接地：這種技術(shù)在大多數(shù)情況下最有效，它使用多個(gè)并聯(lián)電容器，從運(yùn)放的電源引腳直接接地。通常，兩個(gè)并聯(lián)電容器就足夠了，但有些電路可能會(huì)從并聯(lián)的附加電容器中受益。
并聯(lián)不同的電容值有助于確保電源管腳在寬頻帶上看到低交流阻抗。這在運(yùn)放電源抑制（PSR）逐漸消失的頻率下尤為重要。電容有助于補(bǔ)償放大器的PSR下降。在多個(gè)的頻率內(nèi)保持低阻抗接地路徑將防止不需要的噪聲進(jìn)入運(yùn)放。圖1顯示了多個(gè)并聯(lián)電容器的優(yōu)點(diǎn)。在較低的頻率下，較大的電容器提供一個(gè)低阻抗的接地路徑。一旦這些電容器達(dá)到自諧振，電容質(zhì)量下降，電容器成為電感。這就是為什么使用多個(gè)電容器很重要的原因：當(dāng)一個(gè)電容器的頻率響應(yīng)衰減時(shí)，另一個(gè)電容器的頻率響應(yīng)變得明顯，從而在多個(gè)的頻率內(nèi)保持低交流阻抗。
（圖1.電容器阻抗與頻率.）
直接從運(yùn)放的電源插腳開始；具有較低值和最小物理尺寸的電容器應(yīng)與運(yùn)放放放在電路板的同一側(cè)，并盡可能靠近放大器。電容器的接地側(cè)應(yīng)以最小的引線或跡線長度連接到接地平面。該接地連接應(yīng)盡可能靠近放大器的負(fù)載，以盡量減少引腳和接地之間的干擾。圖2說明了這種技術(shù)。
（圖2.并聯(lián)電容引腳對(duì)地旁路.）
下一個(gè)高值電容應(yīng)重復(fù)此過程。一個(gè)好的開始是0.01μF的最小值，和2.2μF或更大的電解低ESR為下一個(gè)電容器。0508外殼尺寸中的0.01μF具有低串聯(lián)電感和優(yōu)異的高頻性能。
軌對(duì)軌：另一種配置是使用一個(gè)或多個(gè)旁路電容器連接在運(yùn)放的正負(fù)電源軌之間。當(dāng)電路中的四個(gè)電容都很難得到時(shí)，通常使用這種方法。這種方法的一個(gè)缺點(diǎn)是電容器外殼尺寸可能變大，因?yàn)橥ㄟ^電容器的電壓是單電源旁路方法的兩倍。更高的電壓需要更高的擊穿額定值，這轉(zhuǎn)化為更大的外殼尺寸。然而，此選項(xiàng)可以改善PSR和失真性能。
因?yàn)槊總€(gè)電路和布局都不同；電容器的配置、數(shù)量和值由實(shí)際的電路要求決定。
五、寄生效應(yīng)
寄生效應(yīng)會(huì)對(duì)你的電路中造成嚴(yán)重破壞。它們是隱藏在高速電路中的雜散電容和電感。它們包括由封裝引線和多余的布線長度形成的電感器；焊盤對(duì)地、焊盤對(duì)電源平面和焊盤對(duì)跡線電容器；與過孔的相互作用，以及更多的可能性。圖3(a)是一個(gè)典型的非旋轉(zhuǎn)運(yùn)放的示意圖。然而，如果要考慮寄生元件，同一電路將如圖3(b)所示。
（圖3.典型運(yùn)算放大器電路，按設(shè)計(jì)(a)和寄生(b).）
在高速電路中，影響很大，僅僅十分之幾皮卡就足夠了。舉例說明：如果在逆變輸入端只存在1pf的附加雜散寄生電容，則在頻域內(nèi)可能導(dǎo)致幾乎2db的峰值（圖4）。如果存在足夠的電容，它會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定和振蕩。
（圖4.寄生電容引起的附加峰值.）
在尋找有問題的寄生來源時(shí)，一些計(jì)算這些寄生效應(yīng)的基本公式可以派上用場(chǎng)。公式1是平行板電容器的公式（見圖5）。
（公式1）
C為電容，A為板面積，單位為平方厘米，k為板材料的相對(duì)介電常數(shù)，d為板間距離，單位為厘米。
（圖5.兩個(gè)板之間的電容.）
條帶狀電感是另一個(gè)需要考慮的寄生因素，它是由線長過長和缺少接地平面引起的。公式2給出了跟蹤電感的公式。見圖6。
（公式2）
W是道寬，L是道長，H是道厚。所有尺寸單位均為毫米。
（圖6.導(dǎo)線的電感.）
圖7中的振蕩顯示了2.54厘米的線長對(duì)高速運(yùn)放非垂直輸入的影響。等效雜散電感為29nh（納米能源），足以引起持續(xù)的低電平振蕩，并在整個(gè)瞬態(tài)響應(yīng)期間持續(xù)存在。圖中還顯示了如何使用地平面減輕雜散電感的影響。
（圖7.有無接地層的脈沖響應(yīng)）
過孔是寄生的另一個(gè)來源；它們可以引入電感和電容。公式3是寄生電感的公式（見圖8）。
(公式3)
T是板的厚度和d是通孔的直徑，單位是厘米。
（圖8.過孔尺寸.）
公式4顯示了如何計(jì)算通孔的寄生電容（見圖8）。
（公式4）
εr是板材的相對(duì)滲透率。T是板的厚度。D1是通孔周圍襯墊的直徑。D2是地平面上間隙孔的直徑。所有尺寸均以厘米為單位。0.157厘米厚的電路板中的一個(gè)過孔可以增加1.2 nH的電感和0.5 pF的電容；這就是為什么在布置電路板時(shí)，必須小心再小心，以盡量減少寄生效應(yīng)的滲透！
六、接地面
接地平面充當(dāng)公共參考電壓，提供屏蔽，實(shí)現(xiàn)散熱，并減少雜散電感（但它也會(huì)增加寄生電容）。雖然使用接地平面有許多優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)操時(shí)必須小心，因?yàn)樗男в糜芯窒扌浴?span>
理想情況下，一層印刷電路板應(yīng)專用于作為接地面。一般是整個(gè)面是完整的。抵抗干擾，移除接地面上的其它線，以便在此專用層上沒有其他信號(hào)。接地面通過導(dǎo)體和接地平面之間的磁場(chǎng)抵消來減小軌跡線電感。當(dāng)?shù)仄矫嫔系膮^(qū)域被移除時(shí)，意外的寄生電感會(huì)被引入地平面上或下的軌跡中。
由于接地平面通常具有較大的表面和橫截面積，因此接地平面中的電阻保持在最小值。在低頻時(shí)，電流的路徑電阻最小，而在高頻時(shí)，電流的路徑電阻最小。
不過，也有例外，有時(shí)地平面越小越好。如果將接地板從輸入和輸出墊板下拆下，高速運(yùn)算放大器的性能會(huì)更好。輸入端接地板引入的雜散電容，加上運(yùn)放的輸入電容，會(huì)降低相位裕度，并可能導(dǎo)致不穩(wěn)定。正如寄生討論中所見，運(yùn)算放大器輸入端的1 pF電容可導(dǎo)致明顯峰值。輸出端的電容性負(fù)載（包括偏離）在反饋回路中產(chǎn)生一個(gè)極點(diǎn)。這會(huì)降低相位裕度，并可能導(dǎo)致電路變得不穩(wěn)定。
模擬和數(shù)字電路，包括接地和接地平面，應(yīng)盡可能分開?？焖偕仙倪吘墪?huì)在地平面中產(chǎn)生電流尖峰。這些快速的電流尖峰會(huì)產(chǎn)生噪聲，破壞模擬性能。模擬和數(shù)字接地（和電源）應(yīng)連接在一個(gè)公共接地點(diǎn)，以盡量減少循環(huán)數(shù)字和模擬接地電流和噪聲。
在高頻下，必須考慮一種叫做趨膚效應(yīng)的現(xiàn)象。趨膚效應(yīng)導(dǎo)致電流在導(dǎo)體的外表面流動(dòng)，實(shí)際上使導(dǎo)體變窄，從而從其直流值增加電阻。雖然集膚效應(yīng)超出了本文的范圍，但銅的集膚深度（厘米）的一個(gè)很好的近似值是
（公式5）
不易受影響的電鍍金屬有助于減少皮膚效應(yīng)。
七、封裝
運(yùn)算放大器通常以多種封裝形式提供。選擇的封裝會(huì)影響放大器的高頻性能。主要影響因素是寄生（前面提到過）和信號(hào)線跡。在這里，我們將著重于輸入、輸出和功率到放大器的路由。
圖9說明了SOIC封裝(a)中的運(yùn)算放大器和SOT-23封裝(b)中的運(yùn)算放大器之間的布局差異。每種包裝類型都有自己的特點(diǎn)。以(a)為重點(diǎn)，對(duì)反饋路徑的仔細(xì)檢查表明，有多種反饋路由選擇。保持反饋長度短是最重要的。反饋中的寄生電感會(huì)導(dǎo)致振鈴和過沖。在圖9(a)和9(b)中，反饋路徑圍繞放大器布線。圖9(c)顯示了在SOIC封裝下路由反饋路徑的另一種方法，該方法最小化了反饋路徑長度。每個(gè)選項(xiàng)都有細(xì)微的差別。第一種選擇可能導(dǎo)致多余的軌跡長度，增加串聯(lián)電感。第二種選擇使用通孔，它可以引入寄生電容和電感。在布置板時(shí)，必須考慮這些寄生菌的影響和影響。SOT-23布局幾乎是理想的：最小的反饋軌跡長度和過孔的使用；負(fù)載和旁路電容器以短路徑返回到同一接地連接；正軌電容器（圖9(b)中未顯示）位于電路板底部負(fù)軌電容器的正下方。
（圖9.運(yùn)算放大器電路的布局差異.(a) SOIC封裝，(b)SOT-23，(b)帶射頻板下的SOIC.）
低失真放大器引腳：一種新的低失真引腳，可在一些模擬設(shè)備運(yùn)算放大器（例如AD8045）中使用，有助于消除上述兩個(gè)問題；它還改善了其他兩個(gè)重要領(lǐng)域的性能。如圖10所示，LFCSP的低失真引腳，采用傳統(tǒng)的運(yùn)算放大器引腳，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)引腳，并添加第二個(gè)輸出引腳作為專用反饋引腳。
(圖10.帶低失真引腳的運(yùn)算放大器.)
低失真引腳允許輸出（專用反饋引腳）和反向輸入之間的緊密連接，如圖11所示。這大大簡化和簡化了布局。
(圖11.AD8045低失真運(yùn)算放大器的印刷電路板布局.)
另一個(gè)好處是減少了二次諧波失真。傳統(tǒng)運(yùn)放引腳結(jié)構(gòu)中二次諧波失真的一個(gè)原因是非垂直輸入和負(fù)電源引腳之間的耦合。LFCSP封裝的低失真引腳消除了這種耦合，并大大降低了二次諧波失真；在某些情況下，降低可高達(dá)14分貝。圖12顯示了AD8099 SOIC和LFCSP封裝在失真性能上的差異。
這種封裝在功耗方面還有另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。LFCSP提供了一個(gè)暴露的槳葉，它降低了封裝的熱阻，并且可以將熱阻提高約40%。由于其較低的熱阻，該封裝運(yùn)行溫度較低，因此可靠性較高
（圖12.AD8099失真比較相同的運(yùn)算放大器在SOIC和LFCSP封裝.）
目前，三個(gè)模擬設(shè)備高速運(yùn)算放大器可與新的低失真引腳：AD8045，AD8099和AD8000。
八、布線和屏蔽
電路板上有各種各樣的模擬和數(shù)字信號(hào)，電壓和電流從直流到千兆赫不等。防止信號(hào)相互干擾是很困難的。
在電路規(guī)劃時(shí)就要要注意哪些信號(hào)是敏感的，并確定必須采取哪些步驟來保持其完整性。地平面為電信號(hào)提供了一個(gè)共同的參考點(diǎn)，它們也可用于屏蔽。當(dāng)需要信號(hào)隔離時(shí)，第一步應(yīng)提供信號(hào)跡線之間的物理距離。以下是一些值得注意的良好做法：
1、盡量減少長時(shí)間的平行運(yùn)行和信號(hào)軌跡在同一塊板上的接近，將減少電感耦合。
2、最小化相鄰層上的長軌跡將防止電容耦合。
需要高隔離度的信號(hào)通道應(yīng)在單獨(dú)的層上布線，如果它們不能完全保持距離，則應(yīng)在地平面之間相互垂直。正交布線將使電容耦合最小化，接地將形成電屏蔽。這項(xiàng)技術(shù)被用于形成可控阻抗線。
高頻（RF）信號(hào)通常在受控阻抗線上運(yùn)行。也就是說，軌跡保持一個(gè)特性阻抗，例如50歐姆（在射頻應(yīng)用中是典型的）。兩種常見的控制阻抗線，微帶線和帶狀線都可以產(chǎn)生相似的結(jié)果，但實(shí)現(xiàn)方式不同。
微帶控制阻抗線，如圖13所示，可以在電路板的任一側(cè)運(yùn)行；它使用緊靠其下方的接地平面作為參考平面。
（圖13.微帶傳輸線.）
公式6可用于計(jì)算FR4板的特性阻抗。
（公式6）
H是從地平面到信號(hào)線的距離，W是線寬度，T是線厚度；所有尺寸單位為mils。εr是PCB材料的介電常數(shù)。
帶狀線控制阻抗線（見圖14）使用兩層地平面，信號(hào)線夾在它們之間。這種方法使用更多的通道，需要更多的板層，對(duì)介電厚度變化敏感，而且成本更高，因此通常只在要求苛刻的應(yīng)用中使用。
（圖14.帶狀線控制阻抗線.）
帶狀線的特性阻抗設(shè)計(jì)公式如公式7所示。
（公式7）
保護(hù)環(huán)，或稱“保護(hù)”，是與運(yùn)放一起使用的另一種常見的屏蔽類型；它用于防止雜散電流進(jìn)入敏感節(jié)點(diǎn)。其原理很簡單，就是用保護(hù)導(dǎo)體完全包圍敏感節(jié)點(diǎn)，保護(hù)導(dǎo)體與敏感節(jié)點(diǎn)保持在或驅(qū)動(dòng)到（低阻抗）相同的電位，從而從敏感節(jié)點(diǎn)吸收雜散電流。圖15（a）顯示了反向和非反向運(yùn)算放大器配置的保護(hù)環(huán)示意圖。圖15（b）顯示了SOT-23-5包的兩個(gè)保護(hù)環(huán)的典型實(shí)現(xiàn)。
（圖15.護(hù)環(huán).(a)反轉(zhuǎn)和非反轉(zhuǎn)操作.(b) SOT-23-5封裝.）
屏蔽和布線還有許多其他選項(xiàng)，這里就不一一贅述了。
結(jié)論
電路板布局是運(yùn)放電路設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵，特別是對(duì)于高速電路。良好的電路原理圖是良好布局的基礎(chǔ)；電路設(shè)計(jì)者和布局設(shè)計(jì)者之間的緊密協(xié)調(diào)是必不可少的，尤其是關(guān)于零件和布線的位置。要考慮的主題包括電源旁路、最小化寄生、使用接地平面、運(yùn)放封裝的效果以及布線和屏蔽的方法。