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在任何一個(gè)電路板設(shè)計(jì)人員的工具箱里，積體電路放大器都是最基本的構(gòu)件模組之一，它是目前市面上最全能的產(chǎn)品之一。放大器具有多項(xiàng)功能，如驅(qū)動(dòng)ADC，驅(qū)動(dòng)多個(gè)視訊負(fù)載，作為視訊或其它類型濾波器，驅(qū)動(dòng)高速儀器訊號等。它們還可以作為振蕩器，不過，在某些實(shí)際應(yīng)用中卻會(huì)成為一個(gè)問題，因?yàn)榉糯笃鲬?yīng)該只在設(shè)計(jì)人員需要的時(shí)候才振蕩。而如果電路板設(shè)計(jì)不正確，放大器卻會(huì)自行其是，隨意振蕩。那么，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該怎么做才能避免這種有害的振蕩呢？試回憶一下我們以前在電子課程里學(xué)過的知識，即振蕩與電容、電感和回饋相關(guān)。因此，關(guān)鍵在于精心設(shè)計(jì)電路板，確保減少或消除任何無關(guān)的電容性和電感性回饋路徑。本文將提出13條布局設(shè)計(jì)指南。
 

電路板、負(fù)載(尤其是電容性負(fù)載)，以及/或布局設(shè)計(jì)，都會(huì)帶來無形的電容和電感。此外，流入電路板各處旁路電容的電流可能產(chǎn)生不同的路徑，導(dǎo)致失真。因此，有些號稱減少失真的技術(shù)其實(shí)是適得其反，與避免振蕩的設(shè)計(jì)規(guī)則背道而馳。(設(shè)計(jì)人員的工作從來非易事，的確如此)那么，在進(jìn)行放大器或視訊濾波器的布局設(shè)計(jì)時(shí)，為了保持全域平衡，減少失真和振蕩，需要考慮到哪些事項(xiàng)呢？
 

圖1：放大器或視訊濾波器的布局設(shè)計(jì)

 

首先看看振蕩器，在利用放大器直接驅(qū)動(dòng)電容性負(fù)載時(shí)，負(fù)載會(huì)與放大器的輸出阻抗會(huì)產(chǎn)生相位滯后，而相位滯后將導(dǎo)致脈衝尖峰或振蕩。有些放大器能夠直接驅(qū)動(dòng)電容性負(fù)載，但有些放大器則需要在放大器的輸出端增加一個(gè)小串聯(lián)電阻(Rs)來提高放大器的穩(wěn)定性和設(shè)立時(shí)間(settling time)性能。

 

圖2為驅(qū)動(dòng)傳輸電纜(如同軸電纜)的典型電路配置圖。電阻Rs和RL應(yīng)該等于電纜的特徵阻抗(Zo)，而電容C應(yīng)該可被用來在更大的頻率范圍對電纜進(jìn)行匹配，以對隨頻率提高而增加的放大器輸出阻抗進(jìn)行補(bǔ)償。

 

圖2：驅(qū)動(dòng)電纜或傳輸線的典型電路圖。

 

高頻放大器很容易受電路布局所致失真的影響，即使是低頻放大器，比如音訊放大器，也具有非常嚴(yán)格的失真要求。失真(THD)是音訊品質(zhì)的主要指標(biāo)，因此，減少布局引起的失真十分關(guān)鍵。

 

高頻電路板布局設(shè)計(jì)主要規(guī)則是使高頻旁路電容盡可能靠近封裝的電源接腳。不過，實(shí)驗(yàn)顯示，稍微延長高頻旁路電容的連接走線可以提高平坦度和差分增益，因而減少失真。設(shè)計(jì)規(guī)則當(dāng)然有益，而設(shè)計(jì)人員的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)也十分有用，可以確保規(guī)則與實(shí)際的一致性。

 

在電路板上設(shè)計(jì)視訊濾波驅(qū)動(dòng)器時(shí)，很重要的一點(diǎn)是，應(yīng)該把輸入藕合電容和端接電阻靠近輸入接腳放置，以獲得最佳訊號完整性。圖3所示為視訊濾波器/驅(qū)動(dòng)器的一種典型AC藕合輸入配置。在這種配置中，采用0.1uF陶瓷電容來對輸入訊號進(jìn)行AC藕合。如果輸入訊號不低于接地電位，鉗位電路不啟動(dòng)；但若輸入訊號低于接地電位，則鉗位電路會(huì)把同步端最低電壓設(shè)置為恰好低于接地電位。鉗位電路設(shè)置的輸入電平，結(jié)合內(nèi)部DC偏移量，將使輸出訊號保持在可接受的范圍之內(nèi)，大約在250mV左右。
 

圖3：視訊濾波器/驅(qū)動(dòng)器的一種典型AC藕合輸入配置

 

為了獲得最高的輸出訊號品質(zhì)，串聯(lián)端接電阻必須盡可能靠近元件的輸出接腳放置。這將大幅減少寄生電容和寄生電感對驅(qū)動(dòng)器輸出的影響。從元件接腳到串聯(lián)端接電阻的距離不應(yīng)該超過0.5英吋(見圖4)。圖5是作為多媒體設(shè)備中作為輸出驅(qū)動(dòng)器的視訊濾波器/驅(qū)動(dòng)器的典型原理示意圖。在圖5所示的情況下，多媒體設(shè)備的複合視訊訊號端子接多媒體設(shè)備，S視訊輸出端子開通。在這時(shí)，讓串聯(lián)端接電阻靠近元件的輸出接腳非常關(guān)鍵，可以把寄生電容對濾波器輸出驅(qū)動(dòng)器的影響降至最小，因而避免輸出端出現(xiàn)振蕩。圖6所示為Fairchild半導(dǎo)體的FMS6346A視訊濾波驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)25pF的負(fù)載，圖7所示為FMS6346A驅(qū)動(dòng)47pF的電容性負(fù)載。這顯示，電容越小，性能越好。

圖4：從元件接腳到串聯(lián)端接電阻的距離不應(yīng)該超過0.5英吋

 

圖5：FMS6346A視訊濾波器輸出到S-視訊

 

圖6：FMS6346A視訊濾波驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)25pF的負(fù)載

 

圖7：FMS6346A驅(qū)動(dòng)47pF的電容性負(fù)載

 

那么，考慮到了電路布局對性能的所有可能的影響，電路板設(shè)計(jì)人員可以做些什么來確保布局避免振蕩、失真和總體訊號品質(zhì)低下呢？下面的基本布局和旁路電容設(shè)計(jì)指南《電路板設(shè)計(jì)規(guī)則13條(Lucky 13)》可能頗有脾益：

 

電路板設(shè)計(jì)規(guī)則13條：

1) RTM(仔細(xì)閱讀產(chǎn)品手冊)。放大器的數(shù)據(jù)手冊一般都會(huì)提出其最小穩(wěn)定增益要求。該指標(biāo)至關(guān)重要，如果放大器的工作增益小于推薦的最小穩(wěn)定增益，就可能產(chǎn)生振蕩。

2)采用一個(gè)接地平面。這是為元件提供低感性接地連接的最好方法。

3) 去掉放大器下方和周圍的接地平面，去掉感應(yīng)接腳附近的接地平面。去掉高速放大器輸入輸出接腳附近的接地平面，可以減少雜散電容。同樣，去掉放大器下面和周圍的接地平面也很有幫助。

4) 采用表面安裝元件。這類元件的接腳電感很小。

5) 盡可能縮短接腳長度。縮短接腳長度可以減少放大器反相輸入端的串聯(lián)電感。

6) 避免使用插槽。避免使用插槽，或者最多使用嵌入式插槽(flush-mount)，以減少電感。

7采用推薦的回饋電阻值。在使用電流回饋放大器時(shí)，這一點(diǎn)十分重要。

8) 不要在放大器的直接反饋迴路中使用非線性元件(如電容)。

9) 采用一個(gè)回饋電阻來實(shí)現(xiàn)單位增益配置。而不要使用標(biāo)淮的電壓跟隨(voltage-follower)電路。

10) 使用旁路電容。在每個(gè)電源上增加一個(gè)旁路電容有助于降低電源接腳處的回流電流路徑阻抗，提高電源雜訊抑制能力，并對電源走線進(jìn)行高頻過濾。大多數(shù)廠商都推薦使用6.8uF坦電容和0.1uF陶瓷電容。為獲得最佳性能，應(yīng)該按照以下規(guī)則放置電容：6.8uF電容距電源接腳不超過0.75英吋，0.1uF電容距電源接腳不超過0.1英吋。當(dāng)兩者的距離增加時(shí)，由于走線電感增加，電容的濾波效果下降。不過，這也需要與失真考慮事項(xiàng)進(jìn)行權(quán)衡，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該距離延長一點(diǎn)點(diǎn)會(huì)改善失真性能。

11) 調(diào)整旁路電容，減少失真。當(dāng)單個(gè)運(yùn)算放大器因接地電流路徑而產(chǎn)生失真時(shí)，可調(diào)整旁路元件，對接地電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其遠(yuǎn)離輸入元件。這十分簡單，只需調(diào)整旁路電容，使它的接地連接遠(yuǎn)離輸入即可。

12)對于視訊濾波器，使串聯(lián)端接電阻靠近輸出接腳放置。這樣做可以把寄生電容對濾波器輸出驅(qū)動(dòng)器的影響減至最小，因而避免輸出端出現(xiàn)振蕩。

13) 輸入藕合電容和端接電阻靠近輸入接腳放置，以獲得最佳訊號完整性。

 

電路板布局對系統(tǒng)性能的影響非常大，因此，在布局設(shè)計(jì)階段，應(yīng)該謹(jǐn)慎監(jiān)測，避免失誤。

 

圖8：一個(gè)單電源放大器示例。如果使用雙電源放大器，則只需在其它電源上增加相同的旁路電容即可。