《電子技術(shù)應(yīng)用》
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放大器和視頻濾波器電路板設(shè)計(jì)技巧
摘要: 在任何一個(gè)設(shè)計(jì)人員的工具箱里,,集成電路放大器都是最基本的構(gòu)件模塊之一,,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)視頻負(fù)載,,作為視頻或其它類型濾波器,驅(qū)動(dòng)高速儀器信號(hào)等等,。
Abstract:
Key words :

在任何一個(gè)設(shè)計(jì)人員的工具箱里,,集成電路放大器都是最基本的構(gòu)件模塊之一,它也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,,比如驅(qū)動(dòng)ADC,驅(qū)動(dòng)多個(gè)視頻負(fù)載,,作為視頻或其他類型濾波器而工作,,驅(qū)動(dòng)高速儀器信號(hào)等等。它們還可以作為振蕩器,,不過,,實(shí)際中這種方案的確存在一些問題,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(shí),,即振蕩與電容,、電感和反饋相關(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)的電容性和電感性反饋路徑,。對(duì)于較高速的放大器(大于50MHz),這尤其重要,。

 

電路板,、負(fù)載(尤其是電容性負(fù)載),以及/或版圖設(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(hào)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)行放大器或視頻濾波器的版圖設(shè)計(jì)時(shí),,為了保持全局平衡,減少失真和振蕩,,需要考慮到哪些事項(xiàng)呢,?

 

 


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)致脈沖尖峰或振蕩。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)定性和建立時(shí)間(settling time)性能,。

 
圖1

圖2給出了驅(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)該等于電纜的特征阻抗(Zo),,而電容C應(yīng)該可被用來在更大的頻率范圍對(duì)電纜進(jìn)行匹配,,以對(duì)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,,比如音頻放大器,也具有非常嚴(yán)格的失真要求,。失真(THD)是音頻質(zhì)量的主要指標(biāo),,因此,減少版圖引起的失真十分關(guān)鍵,。


失真的一個(gè)重要原因是PCB中的接地電流效應(yīng),。這種效應(yīng)來自于流入每個(gè)電源和各電源旁路電容的電流,,該電流與路徑的電導(dǎo)率成比例。各個(gè)不同路徑都存在不同的傳導(dǎo)性,,從而導(dǎo)致失真,。因?yàn)榧词筆CB本身的材料是線性的,電路板的行為也會(huì)表現(xiàn)出“空間非線性”特性,。這是因?yàn)榕月冯娙莘植荚陔娐钒宓牟煌恢?,?dǎo)致接地電流沿不同的路徑流入各個(gè)旁路電容。路徑不同導(dǎo)致接地電流流經(jīng)的接地電阻輸入一端的電壓受到影響,,而另一端則不會(huì),。結(jié)果是輸入信號(hào)電壓被不均衡得調(diào)整,導(dǎo)致非線性的產(chǎn)生,。在這種情況下,,如果一個(gè)極性被調(diào)節(jié),而另一個(gè)卻沒有,,就會(huì)造成二次諧波失真,。換一句話說,如果只有正弦波的一個(gè)極性被調(diào)節(jié),,結(jié)果將不再是正弦波,,這種失真的影響是顯而易見的。為了避免失真,,設(shè)計(jì)人員可以使用共有接地點(diǎn)并在輸出端采用接地旁路電容,。


高頻電路板版圖設(shè)計(jì)的主要規(guī)則是使高頻旁路電容盡可能靠近封裝的電源引腳。不過,,實(shí)驗(yàn)顯示,稍微延長(zhǎng)高頻旁路電容的連接走線可以提高平坦度和差分增益,,從而減少失真,。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)視頻濾波驅(qū)動(dòng)器時(shí),很重要的一點(diǎn)是,,應(yīng)該把輸入耦合電容和端接電阻靠近輸入引腳放置,,以獲得最佳信號(hào)完整性。圖3所示為視頻濾波器/驅(qū)動(dòng)器的一種典型AC耦合輸入配置,。在這種配置中,,采用0.1uF陶瓷電容來對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行AC耦合。如果輸入信號(hào)不低于接地電位,,鉗位電路不激活,;但若輸入信號(hào)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,,將使輸出信號(hào)保持在可接受的范圍之內(nèi),大約在250mV左右,。這種鉗位特性還允許參考電平為地的DAC輸出直接驅(qū)動(dòng)直流耦合輸入,。

 
圖3

    
為了獲得最高的輸出信號(hào)質(zhì)量,串聯(lián)端接電阻必須盡可能靠近器件的輸出引腳放置,。這將大大減少寄生電容和寄生電感對(duì)驅(qū)動(dòng)器輸出的影響,。從器件引腳到串聯(lián)端接電阻的距離不應(yīng)該超過0.5英寸(見圖4)。圖5是作為多媒體設(shè)備中作為輸出驅(qū)動(dòng)器的視頻濾波器/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)備的復(fù)合視頻信號(hào)端子接多媒體設(shè)備,S視頻輸出端子開通,。在這時(shí),,讓串聯(lián)端接電阻靠近器件的輸出引腳非常關(guān)鍵,可以把寄生電容對(duì)濾波器輸出驅(qū)動(dòng)器的影響降至最小,,從而避免輸出端出現(xiàn)振蕩,。圖6所示為飛兆半導(dǎo)體的FMS6346A視頻濾波驅(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,。這表明,,電容越小,性能越好,。

 
圖4

 
圖5  FMS6346A 視頻濾波器輸出到 S-視頻

 
圖6  FMS6346A 視頻濾波驅(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(duì)性能的所有可能的影響,設(shè)計(jì)人員可以做些什么來確保版圖避免振蕩,、失真和總體信號(hào)質(zhì)量低下呢,?下面的基本版圖和旁路電容設(shè)計(jì)指南“設(shè)計(jì)規(guī)則13條(Lucky 13)”可能頗有裨益:

“設(shè)計(jì)規(guī)則 13條”


1) RTM (仔細(xì)閱讀產(chǎn)品手冊(cè))。放大器的數(shù)據(jù)手冊(cè)一般都會(huì)給出它的最小穩(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) 去掉放大器下面和周圍的接地平面,,去掉敏感引腳附近的接地平面,。去掉高速放大器輸入輸出引腳附近的接地平面,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) 采用表面貼裝元件。這類元件的引腳電感很小,。 

    
5) 盡可能縮短引腳長(zhǎng)度,。 縮短引腳長(zhǎng)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) 采用推薦的反饋電阻值,。在使用電流反饋放大器時(shí),這一點(diǎn)十分重要,。

  
8)  不要在放大器的直接反饋回路中使用非線性元件 (如電容器) ,。

   
9) 采用一個(gè)反饋電阻來實(shí)現(xiàn)單位增益配置。而不要使用標(biāo)準(zhǔn)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引腳處的回流電流路徑阻抗,提高電源噪聲抑制能力,,并對(duì)電源走線進(jìn)行高頻過濾,。大多數(shù)廠商都推薦使用6.8uF鉭電容和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電容距電源引腳不超過0.75英寸,,0.1uF電容距電源引腳不超過0.1英寸。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(zhǎng)一點(diǎn)點(diǎn)會(huì)改善失真性能,。

 
圖8


圖8所示為一個(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,。


11) 調(diào)整旁路電容,減小失真,。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(duì)接地電流進(jìn)行調(diào)節(jié),,使其遠(yuǎn)離輸入元件,。這十分簡(jiǎn)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(duì)于視頻濾波器,,使串聯(lián)端接電阻靠近輸出引腳放置。這樣做可以把寄生電容對(duì)濾波器輸出驅(qū)動(dòng)器的影響減至最小,,從而避免輸出端出現(xiàn)振蕩,。

   
13) 輸入耦合電容和端接電阻靠近輸入引腳放置,以獲得最佳信號(hào)完整性,。

電路板布局對(duì)系統(tǒng)性能的影響非常大,,因此,在版圖設(shè)計(jì)階段,,應(yīng)該謹(jǐn)慎監(jiān)測(cè),,避免失誤。當(dāng)有疑慮時(shí),,請(qǐng)聯(lián)系放大器或視頻濾波器供應(yīng)商,,他們會(huì)很樂意提供幫助。

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