高速运算放大器PCB电路设计技巧

　　当寻找有问题的寄生源时，可能用得着几个计算上述那些寄生电容尺寸的基本公式。公式(1)是计算平行极板电容器(见图5)的公式。

　　(1)C表示电容值，A表示以cm2为单位的极板面积，k表示PCB材料的相对介电常数，d表示以cm为单位的极板间距离。

　　图5. 两极板间的电容。

　　带状电感是另外一种需要考虑的寄生效应，它是由于印制线过长或缺乏接地平面引起的。式(2)示出了计算印制线电感(Inductance)的公式。参见图6。

　　(2)W表示印制线宽度，L表示印制线长度，H表示印制线的厚度。全部尺寸都以mm为单位。

　　图6. 印制线电感。

　　图7中的振荡示出了高速运算放大器同相输入端长度为2.54 cm的印制线的影响。其等效寄生电感为29 nH(10-9H)，足以造成持续的低压振荡，会持续到整个瞬态响应周期。图7还示出了如何利用接地平面来减小寄生电感的影响。

　　图7. 有接地平面和没有接地平面的脉冲响应。

　　通孔是另外一种寄生源;它们能引起寄生电感和寄生电容。公式(3)是计算寄生电感的公式(参见图8)。

　　(3)T表示PCB的厚度，d表示以cm为单位的通孔直径。

　　图8. 通孔尺寸。

　　公式(4)示出了如何计算通孔(参见图8)引起的寄生电容值。

　　(4)εr表示PCB材料的相对磁导率。T表示PCB的厚度。D1表示环绕通孔的焊盘直径。D2表示接地平面中隔离孔的直径。所有尺寸均以cm为单位。在一块0.157 cm厚的PCB上一个通孔就可以增加1.2 nH的寄生电感和0.5 pF的寄生电容;这就是为什么在给PCB布线时一定要时刻保持戒备的原因，要将寄生效应的影响降至最小。

　　接地平面

　　实际上需要讨论的内容远不止本文提到的这些，但是我们会重点突出一些关键特性并鼓励读者进一步探讨这个题。

　　接地平面起到公共基准电压的作用，提供屏蔽，能够散热和减小寄生电感(但它也会增加寄生电容)的功能。虽然使用接地平面有许多好处，但是在实现时也必须小心，因为它对能够做的和不能够做的都有一些限制。

　　理想情况下，PCB有一层应该专门用作接地平面。这样当整个平面不被破坏时才会产生最好的结果。千万不要挪用此专用层中接地平面的区域用于连接其它信号。由于接地平面可以消除导体和接地平面之间的磁场，所以可以减小印制线电感。如果破坏接地平面的某个区域，会给接地平面上面或下面的印制线引入意想不到的寄生电感。

　　因为接地平面通常具有很大的表面积和横截面积，所以使接地平面的电阻保持最小值。在低频段，电流会选择电阻最小的路径，但是在高频段，电流会选择阻抗最小的路径。

　　然而也有例外，有时候小的接地平面会更好。如果将接地平面从输入或者输出焊盘下挪开，高速运算放大器会更好地工作。因为在输入端的接地平面引入的寄生电容，增加了运算放大器的输入电容，减小了相位裕量，从而造成不稳定性。正如在寄生效应一节的讨论中所看到的，运算放大器输入端1 pF的电容能引起很明显的尖脉冲。输出端的容性负载——包括寄生的容性负载——造成了反馈环路中的极点。这会降低相位裕量并造成电路变得不稳定。

　　如果有可能的话，模拟电路和数字电路——包括各自的地和接地平面——应该分开。快速的上升沿会造成电流毛刺流入接地平面。这些快速的电流毛刺引起的噪声会破坏模拟性能。模拟地和数字地(以及电源)应该被连接到一个共用的接地点以便降低循环流动的数字和模拟接地电流和噪声。

　　在高频段，必须考虑一种称为“趋肤效应”的现象。趋肤效应会引起电流流向导线的外表面——结果会使得导线的横截面变窄，因此使直流(DC)电阻增大。虽然趋肤效应超出了本文讨论的范围，这里还是给出铜线中趋肤深度(Skin Depth)的一个很好的近似公式(以cm为单位)：

　　(5)低灵敏度的电镀金属有助于减小趋肤效应。

　　布线和屏蔽

　　PCB上存在各种各样的模拟和数字信号，包括从高到低的电压或电流，从DC到GHz频率范围。保证这些信号不相互干扰是非常困难的。

　　回顾前面“谁都别信”部分的建议，最关键的是预先思考并且为了如何处理PCB上的信号制定出一个计划。重要的是注意哪些信号是敏感信号并且确定必须采取何种措施来保证信号的完整性。接地平面为电信号提供一个公共参考点，也可以用于屏蔽。如果需要进行信号隔离，首先应该在信号印制线之间留出物理距离。下面是一些值得借鉴的实践经验：

　　减小同一PCB中长并联线的长度和信号印制线间的接近程度可以降低电感耦合。减小相邻层的长印制线长度可以防止电容耦合。需要高隔离度的信号印制线应该走不同的层而且——如果它们无法完全隔离的话——应该走正交印制线，而且将接地平面置于它们之间。正交布线可以将电容耦合减至最小，而且地线会形成一种电屏蔽。在构成控制阻抗印制线时可以采用这种方法。高频(RF)信号通常在控制阻抗印制线上流动。就是说，该印制线保持一种特征阻抗，例如50Ω(RF应用中的典型值)。两种最常见的控制阻抗印制线，微带线4和带状线5都可以达到类似的效果，但是实现的方法不同。

　　微带控制阻抗印制线，如图9所示，可以用在PCB的任意一面;它直接采用其下面的接地平面作为其参考平面。

　　图9. 微带传输线。

　　公式(6)可以用于计算一块FR4板的特征阻抗。

　　(6)H表示从接地平面到信号印制线之间的距离，W表示印制线宽度，T表示印制线厚度;全部尺寸均以密耳(mils)(10-3英寸)为单位。εr表示PCB材料的介电常数。

　　带状控制阻抗印制线(参见图10)采用了两层接地平面，信号印制线夹在其中。这种方法使用了较多的印制线，需要的PCB层数更多，对电介质厚度变化敏感，而且成本更高——所以通常只用于要求严格的应用中。

　　图10. 带状控制阻抗印制线。

　　用于带状线的特征阻抗计算公式如公式(7)所示。

　　(7)保护环，或者说“隔离环”，是运算放大器常用的另一种屏蔽方法，它用于防止寄生电流进入敏感结点。其基本原理很简单——用一条保护导线将敏感结点完全包围起来，导线保持或者迫使它保持(低阻抗)与敏感结点相同的电势，因此使吸收的寄生电流远离了敏感结点。

　　图12(a)示出了用于运算放大器反相配置和同相配置中的保护环的原理图。图12(b)示出用于SOT-23-5封装中两种保护环的典型布线方法。

　　图12. 保护环。(a)反相和同相工作。(b)SOT-23-5封装。

　　还有很多其它的屏蔽和布线方法。欲获得有关这个问题和上述其它题目的更多信息，建议读者阅读下列参考文献。

　　结论

　　高水平的PCB布线对成功的运算放大器电路设计是很重要的，尤其是对高速电路。一个好原理图是好的布线的基础;电路设计工程师和布线设计工程师之间的紧密配合是根本，尤其是关于器件和接线的位置问题。需要考虑的问题包括旁路电源，减小寄生效应，采用接地平面，运算放大器封装的影响，以及布线和屏蔽的方法。

　　1.在PCB设计时，芯片电源处旁路滤波等电容应尽可能的接近器件，典型距离是小于3MM。

　　2.运算放大器芯片电源处的小陶瓷旁路电容在放大器处于输入高频信号时可以为放大器的高频特性提供能量电容值的选择根据输入信号的频率与放大器的速度选择例如，一个400MHz的放大器可能采用并连安装的0.01uF和1nF电容。

　　3.当我们购买电容等器件时，还需要注意他的自谐振荡频率，自谐振频率在此频率(400MHz)上下的电容毫无益处。

　　4.在画PCB时，放大器的输入输出信号脚以及反馈电阻的下面不要在走其他线，这样可以减小不同线之间的寄生电容的相互影响让放大器更稳定

　　5.表面贴装器件的高频新能比较好同时又体积小

　　6.电路板布线时走线尽可能的短同时还要注意的他的长与宽让寄生效应最小化

　　7.对于电源线的处理电源线寄生特性最坏的直流电阻与自感所以我们在布电源线的时候尽可能的加宽些

　　8.对于放大器输入输出连接线上面的电流非常小所以这样他们是很容易受影响的寄生性效应对他们危害很大

　　9.对于超过1CM的信号路径最好是用受控阻抗和两端终接(匹配电阻)的传输线

　　10.放大器驱动阻容性负载为了解决稳定性的问题一种常用的技术是引入一个电阻ROUT 同时最好靠近运放 这样利用串联输出电阻实现对容性负载的隔离。