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。它們還可以作為振蕩器，不過(guò)，在某些實(shí)際應(yīng)用中卻會(huì)成為一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/放大器">放大器應(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(guò)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(wú)關(guān)的電容性和電感性反饋路徑。本文將給出13條版圖設(shè)計(jì)指南。

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(guò)，實(shí)際中這種方案的確存在一些問(wèn)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(guò)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(wú)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(lái)無(wú)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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恢茫瑢?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(méi)有，就會(huì)造成二次諧波失真。換一句話說(shuō)，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(jiàn)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(guò)，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(lái)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(guò)0.5英寸(見(jiàn)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(kāi)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(lái)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(lái)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(guò)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(guò)0.75英寸，0.1uF電容距電源引腳不超過(guò)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(guò)，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(lè)意提供幫助。