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在任何一個電路板設(shè)計人員的工具箱里，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ADC，驅(qū)動多個視訊負(fù)載，作為視訊或其它類型濾波器，驅(qū)動高速儀器訊號等。它們還可以作為振蕩器，不過，在某些實(shí)際應(yīng)用中卻會成為一個問題，因?yàn)榉糯笃鲬?yīng)該只在設(shè)計人員需要的時候才振蕩。而如果電路板設(shè)計不正確，放大器卻會自行其是，隨意振蕩。那么，設(shè)計人員應(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，都會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)計規(guī)則背道而馳。(設(shè)計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)計時，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

 

首先看看振蕩器，在利用放大器直接驅(qū)動電容性負(fù)載時，負(fù)載會與放大器的輸出阻抗會產(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小串聯(lián)電阻(Rs)來提高放大器的穩(wěn)定性和設(shè)立時間(settling time)性能。

 

圖2為驅(qū)動傳輸電纜(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)計規(guī)則當(dāng)然有益，而設(shè)計人員的實(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)計視訊濾波驅(qū)動器時，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；但若輸入訊號低于接地電位，則鉗位電路會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)動器的視訊濾波器/驅(qū)動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，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)動器驅(qū)動25pF的負(fù)載，圖7所示為FMS6346A驅(qū)動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)動器驅(qū)動25pF的負(fù)載

 

圖7：FMS6346A驅(qū)動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)計指南《電路板設(shè)計規(guī)則13條(Lucky 13)》可能頗有脾益：

 

電路板設(shè)計規(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，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。在每個電源上增加一個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，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)會改善失真性能。

11) 調(diào)整旁路電容，減少失真。當(dāng)單個運(yùn)算放大器因接地電流路徑而產(chǎn)生失真時，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)計階段，應(yīng)該謹(jǐn)慎監(jiān)測，避免失誤。

 

圖8：一個單電源放大器示例。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。