在任何电路板设计者的工具箱中,积体电路放大器是最基本的部件模块之一,是目前市面上销售的最全的产品之一。放大器具有许多功能,例如驱动ADC、驱动多个通信负载、驱动通信或作为其它类型的滤波器、驱动高速设备信号等。这些可以是振荡器,但是放大器仅在设计者需要时才应该振动,因此在一些实际应用中成为问题。电路板如果设计不正确,放大器会自动振动。那么,设计者怎样才能避免这种有害振动呢?振动与电容、电感、反馈有关,让我们回忆一下以前在电子课程中学到的知识。因此,重要的是精心设计电路板以确保减少或消除无关电容和电敏感反馈路径。本文提出了13个布局设计指南。
电路板、负载(特别是电容性负载和/或布局设计都导致无形的容量和电感。另外,流向电路板的各旁路容量的电流产生不同的路径,有可能导致失真。因此,在减少失真的技术中,也有与避免振动的设计规则背道而驰的技术。(设计者的工作绝不容易,但确实如此)那么,在进行放大器和影像滤波器的布局设计时,为了保持整个区域的平衡,减少失真和振动,需要考虑哪些事项呢。
图1:放大器或视频滤波器的布局设计
首先,当使用放大器直接驱动电容性负载时,产生相位滞后负载和放大器的输出阻抗,相位滞后产生脉冲扣球或振荡。一些放大器可以直接驱动电容性负载,但是一些放大器需要在放大器的输出端添加小串联电阻(Rs)以提高放大器的稳定性和设置时间的性能。
图2是驱动传输线缆同轴电缆的示例性电路结构图。虽然电阻Rs和RL必须等于线缆的特徵阻抗(Zo),但是电容C应用于在更大的频率范围内匹配线缆以补偿随着频率增加而增加的放大器输出阻抗。
图2:驱动电缆或传输线的典型电路图。
高频放大器容易受到电路布局引起的失真的影响,即使是像声音放大器那样的低频放大器,也具有非常严格的失真要求。失真((THD)是音信质量的主要指标,因此减少布局引起的失真很重要。
高频电路板布局设计的主要规则是尽可能接近封装的电源销的高频旁路容量。然而,实验表明,增加了高频旁路容量的连接布线提高了平坦度和差分增益,从而可以减少失真。设计规则当然是有用的,设计者的实验经验也非常有用,可以确保规则和实际一致性。
电路板当在上面设计视频滤波器驱动器时,重要的是将输入莲藕电容和端子电阻靠近输入销来配置,以获得最佳的信号匹配性。图3是一般的AC藕合输入结构。在该结构中,使用0.1uF陶瓷容量进行输入信号AC藕合。当输入信号不低于接地电位时,钳位电路不启动。但是,如果输入信号低于接地电位,则钳位电路将同步端的最低电压设定为恰好低于接地电位。钳位电路所设定的输入电平与内部DC偏移量一致,将输出信号保持在容许范围内、约250mV左右。
图3:影像过滤器/驱动器的一例AC藕合输入结构
为了获得最高输出信号质量,串行端子电阻必须尽可能接近元件的输出销。由此,寄生电容和寄生电感对驱动器输出的影响大大降低。从元件销到串联端子的电阻距离不得超过0.5英寸(参照图4)。图5是表示作为多媒体装置中的输出驱动器的通信滤波器/驱动器的典型原理的图。在图5所示的情况下,多媒体装置的複合视讯信号端子与多媒体装置连接,S影像输出端子通。在这种情况下,使串联端子电阻接近元件的输出端子是重要的,能够将寄生电容对滤波器输出驱动器的影响抑制到最小限度,能够避免输出端子的振荡。图6是Fairchild半导体的FMS6346A影像滤波器驱动25pF的负载,图7是FMS6346A驱动47pF的电容性负载。这表明容量越小性能越好。
图4:从元件销到串联端子的电阻距离不得超过0.5英寸。
图5:FMS6346A视讯滤波器输出到S-视觉系统
图6:FMS6346A视频滤波器驱动25pF的负载
图7:FMS6346A驱动47pF的电容性负载
那么,考虑到电路布局可能对性能的所有影响,电路板设计者可以做什么来避免布局的振动、失真和整体信号质量的降低。以下的基本布局和旁路容量设计指南『电路板设计规则13条Lucky13)』可能有脾益。
电路板设计规则13条:
1)RTM(仔细阅读产品手册)。放大器的数据手册通常提出其最小稳定增益请求。重要的是,当放大器的操作增益小于推荐的最小稳定增益时,该指示符可能产生振动。
2)采用接地平面。这是向元件提供低感性接地连接的最佳方法。
3)去除放大器下方和周围的接地面,去除感应销附近的接地面。通过去除高速放大器的输入输出销附近的接地面,可以减少杂散电容。同样,也有助于去除放大器下方和周围的接地面。
4)采用表面安装元件。这种元件的引脚电感很小。
5)尽量缩短脚的长度。如果引脚长度短,则可以降低放大器的反相输入端的串联电感。
6)请勿使用插槽。为了减少电感,请避免使用插槽,或者最大限度使用嵌入槽flush-mount。
7采用推荐反馈电阻值。在使用电流反馈放大器的情况下,这一点非常重要。
8)请勿用于放大器的直接反馈电路(容量等)。
9)使用反馈电阻来实现单位增益配置。请勿使用标淮的电压追踪voltage-follower)电路。
10)使用旁路容量。向各电源增加旁路电容有助于降低电源销中的回流电流路径阻抗,提高电源噪声抑制能力,对电源布线进行高频滤波。大多数制造商都推荐使用6.8uF的牛舌容量和0.1uF的陶瓷容量。为了获得最佳性能,6.8uF容量不超过电源销0.75英寸,并且应按照不超过0.1英寸的规则来设置0.1uF容量。当两者的距离增加时,由于布线电感增加,电容的滤波效果降低。然而,实验结果表明,如果该距离稍长,失真性能就会得到改善,因此有必要与失真的考虑事项进行比较。
11)调整旁路容量,减少失真。如果单个运算放大器由于接地电流路径而产生失真,则可调整旁路元件以使接地电流远离输入元件。这是非常简单的,只需要调整旁路容量以使接地连接远离输入。
12)将串联端子电阻靠近通信滤波器的输出端子。由此,能够将寄生电容对滤波器输出驱动器的影响抑制到最小限度,能够避免输出端的振荡。
13)将输入莲藕电容和端子电阻靠近输入销来配置,以获得最佳的信号匹配性。
电路板由于布局对系统性能的影响非常大,所以在布局设计阶段,为了避免出错,必须慎重监视。
图8:单个电源放大器的示例。如果使用双电源放大器,则仅向其他电源增加相同的旁路容量即可。