高速pcb设计（运算放大器）

2020-03-10

尽管印刷電(diàn)路板（PCB）在高速電(diàn)路中具有(yǒu)重要的属性，但它的布局往往是设计过程中的最后一步。高速印刷電(diàn)路板（pcb電(diàn)路板）布局有(yǒu)很(hěn)多(duō)方面，本文(wén)从实用(yòng)的角度讨论高速布局问题。我们将讨论在提高電(diàn)路性能(néng)、减少设计时间等领域。

虽然重点是涉及高速运算放大器的電(diàn)路，但这里讨论的主题和技术通常适用(yòng)于大多(duō)数其他(tā)高速模拟電(diàn)路的布局。当运算放大器在高频工作时，電(diàn)路性能(néng)在很(hěn)大程度上取决于電(diàn)路板的布局。一个在纸上看起来不错的高性能(néng)電(diàn)路设计，在被粗心或草(cǎo)率的布局所阻碍时，最后呈现出平庸的性能(néng)。提前思考并在整个布局过程中注意突出的细节将有(yǒu)助于确保電(diàn)路按预期运行。

一、器件示意图

一个好的布局是从一个好的器件示意图开始的。在绘制器件示意图时要考虑周到和大方，并考虑通过電(diàn)路的信号流。一个从左到右自然而稳定的流程的器件示意图在板上也会有(yǒu)一个很(hěn)好的流程。在器件示意图上尽可(kě)能(néng)多(duō)地输入有(yǒu)用(yòng)的信息。从事此项工作的设计师、技术人员和工程师将非常感激。

除了通常的参考标志(zhì)、功耗和公差之外，器件示意图上还包含哪些信息？这里有(yǒu)一些建议，可(kě)以把一个普通的示意图变成一个超级示意图！添加波形、有(yǒu)关外壳或外壳的机械信息、轨迹長(cháng)度、隔离區(qū)域；指定哪些组件需要位于電(diàn)路板顶部；包括调谐信息、组件值范围、热信息、控制阻抗線(xiàn)、注释、简要電(diàn)路操作说明。

二、怀疑一切

如果你不做自己的布局，一定要留出足够的时间和布局人一起完成设计。此时有(yǒu)备无患！别指望版面设计人员能(néng)读懂你的心思。在布局过程的开始，您的输入和指导是关键的。你能(néng)提供的信息越多(duō)，布局过程中参与的越多(duō)，最后電(diàn)路板的性能(néng)就越好。制定一个布局进度表，在每个节点进行检查。这种“循环闭合”防止布局走得太遠(yuǎn)，并将最小(xiǎo)化对板布局的返工。

你对设计者的指导应该包括：電(diàn)路功能(néng)的简要描述；显示输入和输出位置的電(diàn)路板草(cǎo)图；電(diàn)路板堆叠（即電(diàn)路板有(yǒu)多(duō)厚、有(yǒu)多(duō)少层、信号层和平面的详细信息、電(diàn)源、接地、模拟、数字和射频）；每个電(diàn)路板上需要有(yǒu)哪些信号层；需要定位关键组件的位置；旁路组件的准确位置；哪些记录道是关键的；哪些線(xiàn)路需要控制阻抗線(xiàn)；哪些線(xiàn)路需要匹配長(cháng)度；组件尺寸；哪些線(xiàn)路需要彼此遠(yuǎn)离（或靠近）；哪些電(diàn)路需要彼此遠(yuǎn)离（或接近）；哪些组件需要彼此靠近（或遠(yuǎn)离）；哪些组件位于電(diàn)路板的顶部和底部。原则是能(néng)给出的信息越多(duō)越好。

三、定位

和房地产一样，位置决定一切。電(diàn)路放置在電(diàn)路板上的位置、单个電(diàn)路元件的位置以及附近的其他(tā)電(diàn)路都是关键。

通常情况下，输入、输出和電(diàn)源位置都是有(yǒu)定义的，但它们之间的关系是需要慎重对待的，这就是关注布局细节将产生明显效能(néng)的地方。从关键元件的放置开始，包括单个電(diàn)路和整个電(diàn)路板。从一开始就指定关键组件位置和信号路径，确保设计按预期进行，降低成本和压力，缩短周期。

四、旁路電(diàn)源

对于高速运算放大器和任何其他(tā)高速電(diàn)路，绕过放大器的電(diàn)源端子以最小(xiǎo)化噪声是PCB设计过程的一个关键方面。有(yǒu)两种常用(yòng)的绕过高速运算放大器的配置。

管脚接地：这种技术在大多(duō)数情况下最有(yǒu)效，它使用(yòng)多(duō)个并联電(diàn)容器，从运放的電(diàn)源引脚直接接地。通常，两个并联電(diàn)容器就足够了，但有(yǒu)些電(diàn)路可(kě)能(néng)会从并联的附加電(diàn)容器中受益。

并联不同的電(diàn)容值有(yǒu)助于确保電(diàn)源管脚在宽频带上看到低交流阻抗。这在运放電(diàn)源抑制（PSR）逐渐消失的频率下尤為(wèi)重要。電(diàn)容有(yǒu)助于补偿放大器的PSR下降。在多(duō)个的频率内保持低阻抗接地路径将防止不需要的噪声进入运放。图1显示了多(duō)个并联電(diàn)容器的优点。在较低的频率下，较大的電(diàn)容器提供一个低阻抗的接地路径。一旦这些電(diàn)容器达到自谐振，電(diàn)容质量下降，電(diàn)容器成為(wèi)電(diàn)感。这就是為(wèi)什么使用(yòng)多(duō)个電(diàn)容器很(hěn)重要的原因：当一个電(diàn)容器的频率响应衰减时，另一个電(diàn)容器的频率响应变得明显，从而在多(duō)个的频率内保持低交流阻抗。

（图1.電(diàn)容器阻抗与频率.）

直接从运放的電(diàn)源插脚开始；具有(yǒu)较低值和最小(xiǎo)物(wù)理(lǐ)尺寸的電(diàn)容器应与运放放放在電(diàn)路板的同一侧，并尽可(kě)能(néng)靠近放大器。電(diàn)容器的接地侧应以最小(xiǎo)的引線(xiàn)或迹線(xiàn)長(cháng)度连接到接地平面。该接地连接应尽可(kě)能(néng)靠近放大器的负载，以尽量减少引脚和接地之间的干扰。图2说明了这种技术。

（图2.并联電(diàn)容引脚对地旁路.）

下一个高值電(diàn)容应重复此过程。一个好的开始是0.01μF的最小(xiǎo)值，和2.2μF或更大的電(diàn)解低ESR為(wèi)下一个電(diàn)容器。0508外壳尺寸中的0.01μF具有(yǒu)低串联電(diàn)感和优异的高频性能(néng)。

轨对轨：另一种配置是使用(yòng)一个或多(duō)个旁路電(diàn)容器连接在运放的正负電(diàn)源轨之间。当電(diàn)路中的四个電(diàn)容都很(hěn)难得到时，通常使用(yòng)这种方法。这种方法的一个缺点是電(diàn)容器外壳尺寸可(kě)能(néng)变大，因為(wèi)通过電(diàn)容器的電(diàn)压是单電(diàn)源旁路方法的两倍。更高的電(diàn)压需要更高的击穿额定值，这转化為(wèi)更大的外壳尺寸。然而，此选项可(kě)以改善PSR和失真性能(néng)。

因為(wèi)每个電(diàn)路和布局都不同；電(diàn)容器的配置、数量和值由实际的電(diàn)路要求决定。

五、寄生效应

寄生效应会对你的電(diàn)路中造成严重破坏。它们是隐藏在高速電(diàn)路中的杂散電(diàn)容和電(diàn)感。它们包括由封装引線(xiàn)和多(duō)余的布線(xiàn)長(cháng)度形成的電(diàn)感器；焊盘对地、焊盘对電(diàn)源平面和焊盘对迹線(xiàn)電(diàn)容器；与过孔的相互作用(yòng)，以及更多(duō)的可(kě)能(néng)性。图3(a)是一个典型的非旋转运放的示意图。然而，如果要考虑寄生元件，同一電(diàn)路将如图3(b)所示。

（图3.典型运算放大器電(diàn)路，按设计(a)和寄生(b).）

在高速電(diàn)路中，影响很(hěn)大，仅仅十分(fēn)之几皮卡就足够了。举例说明：如果在逆变输入端只存在1pf的附加杂散寄生電(diàn)容，则在频域内可(kě)能(néng)导致几乎2db的峰值（图4）。如果存在足够的電(diàn)容，它会导致不稳定和振荡。

（图4.寄生電(diàn)容引起的附加峰值.）

在寻找有(yǒu)问题的寄生来源时，一些计算这些寄生效应的基本公式可(kě)以派上用(yòng)场。公式1是平行板電(diàn)容器的公式（见图5）。

（公式1）

C為(wèi)電(diàn)容，A為(wèi)板面积，单位為(wèi)平方厘米，k為(wèi)板材料的相对介電(diàn)常数，d為(wèi)板间距离，单位為(wèi)厘米。

（图5.两个板之间的電(diàn)容.）

条带状電(diàn)感是另一个需要考虑的寄生因素，它是由線(xiàn)長(cháng)过長(cháng)和缺少接地平面引起的。公式2给出了跟踪電(diàn)感的公式。见图6。

（公式2）

W是道宽，L是道長(cháng)，H是道厚。所有(yǒu)尺寸单位均為(wèi)毫米。

（图6.导線(xiàn)的電(diàn)感.）

图7中的振荡显示了2.54厘米的線(xiàn)長(cháng)对高速运放非垂直输入的影响。等效杂散電(diàn)感為(wèi)29nh（纳米能(néng)源），足以引起持续的低電(diàn)平振荡，并在整个瞬态响应期间持续存在。图中还显示了如何使用(yòng)地平面减轻杂散電(diàn)感的影响。

（图7.有(yǒu)无接地层的脉冲响应）

过孔是寄生的另一个来源；它们可(kě)以引入電(diàn)感和電(diàn)容。公式3是寄生電(diàn)感的公式（见图8）。

 (公式3)

T是板的厚度和d是通孔的直径，单位是厘米。

（图8.过孔尺寸.）

公式4显示了如何计算通孔的寄生電(diàn)容（见图8）。

（公式4）

εr是板材的相对渗透率。T是板的厚度。D1是通孔周围衬垫的直径。D2是地平面上间隙孔的直径。所有(yǒu)尺寸均以厘米為(wèi)单位。0.157厘米厚的電(diàn)路板中的一个过孔可(kě)以增加1.2 nH的電(diàn)感和0.5 pF的電(diàn)容；这就是為(wèi)什么在布置電(diàn)路板时，必须小(xiǎo)心再小(xiǎo)心，以尽量减少寄生效应的渗透！

六、接地面

接地平面充当公共参考電(diàn)压，提供屏蔽，实现散热，并减少杂散電(diàn)感（但它也会增加寄生電(diàn)容）。虽然使用(yòng)接地平面有(yǒu)许多(duō)优点，但在实操时必须小(xiǎo)心，因為(wèi)它的效用(yòng)有(yǒu)局限性。

理(lǐ)想情况下，一层印刷電(diàn)路板应专用(yòng)于作為(wèi)接地面。一般是整个面是完整的。抵抗干扰，移除接地面上的其它線(xiàn)，以便在此专用(yòng)层上没有(yǒu)其他(tā)信号。接地面通过导體(tǐ)和接地平面之间的磁场抵消来减小(xiǎo)轨迹線(xiàn)電(diàn)感。当地平面上的區(qū)域被移除时，意外的寄生電(diàn)感会被引入地平面上或下的轨迹中。

由于接地平面通常具有(yǒu)较大的表面和横截面积，因此接地平面中的電(diàn)阻保持在最小(xiǎo)值。在低频时，電(diàn)流的路径電(diàn)阻最小(xiǎo)，而在高频时，電(diàn)流的路径電(diàn)阻最小(xiǎo)。

不过，也有(yǒu)例外，有(yǒu)时地平面越小(xiǎo)越好。如果将接地板从输入和输出垫板下拆下，高速运算放大器的性能(néng)会更好。输入端接地板引入的杂散電(diàn)容，加上运放的输入電(diàn)容，会降低相位裕度，并可(kě)能(néng)导致不稳定。正如寄生讨论中所见，运算放大器输入端的1 pF電(diàn)容可(kě)导致明显峰值。输出端的電(diàn)容性负载（包括偏离）在反馈回路中产生一个极点。这会降低相位裕度，并可(kě)能(néng)导致電(diàn)路变得不稳定。

模拟和数字電(diàn)路，包括接地和接地平面，应尽可(kě)能(néng)分(fēn)开。快速上升的边缘会在地平面中产生電(diàn)流尖峰。这些快速的電(diàn)流尖峰会产生噪声，破坏模拟性能(néng)。模拟和数字接地（和電(diàn)源）应连接在一个公共接地点，以尽量减少循环数字和模拟接地電(diàn)流和噪声。

在高频下，必须考虑一种叫做趋肤效应的现象。趋肤效应导致電(diàn)流在导體(tǐ)的外表面流动，实际上使导體(tǐ)变窄，从而从其直流值增加電(diàn)阻。虽然集肤效应超出了本文(wén)的范围，但铜的集肤深度（厘米）的一个很(hěn)好的近似值是

（公式5）

不易受影响的電(diàn)镀金属有(yǒu)助于减少皮肤效应。

七、封装

运算放大器通常以多(duō)种封装形式提供。选择的封装会影响放大器的高频性能(néng)。主要影响因素是寄生（前面提到过）和信号線(xiàn)迹。在这里，我们将着重于输入、输出和功率到放大器的路由。

图9说明了SOIC封装(a)中的运算放大器和SOT-23封装(b)中的运算放大器之间的布局差异。每种包装类型都有(yǒu)自己的特点。以(a)為(wèi)重点，对反馈路径的仔细检查表明，有(yǒu)多(duō)种反馈路由选择。保持反馈長(cháng)度短是最重要的。反馈中的寄生電(diàn)感会导致振铃和过冲。在图9(a)和9(b)中，反馈路径围绕放大器布線(xiàn)。图9(c)显示了在SOIC封装下路由反馈路径的另一种方法，该方法最小(xiǎo)化了反馈路径長(cháng)度。每个选项都有(yǒu)细微的差别。第一种选择可(kě)能(néng)导致多(duō)余的轨迹長(cháng)度，增加串联電(diàn)感。第二种选择使用(yòng)通孔，它可(kě)以引入寄生電(diàn)容和電(diàn)感。在布置板时，必须考虑这些寄生菌的影响和影响。SOT-23布局几乎是理(lǐ)想的：最小(xiǎo)的反馈轨迹長(cháng)度和过孔的使用(yòng)；负载和旁路電(diàn)容器以短路径返回到同一接地连接；正轨電(diàn)容器（图9(b)中未显示）位于電(diàn)路板底部负轨電(diàn)容器的正下方。

（图9.运算放大器電(diàn)路的布局差异.(a) SOIC封装，(b)SOT-23，(b)带射频板下的SOIC.）

低失真放大器引脚：一种新(xīn)的低失真引脚，可(kě)在一些模拟设备运算放大器（例如AD8045）中使用(yòng)，有(yǒu)助于消除上述两个问题；它还改善了其他(tā)两个重要领域的性能(néng)。如图10所示，LFCSP的低失真引脚，采用(yòng)传统的运算放大器引脚，逆时针旋转一个引脚，并添加第二个输出引脚作為(wèi)专用(yòng)反馈引脚。

(图10.带低失真引脚的运算放大器.)

低失真引脚允许输出（专用(yòng)反馈引脚）和反向输入之间的紧密连接，如图11所示。这大大简化和简化了布局。

(图11.AD8045低失真运算放大器的印刷電(diàn)路板布局.)

另一个好处是减少了二次谐波失真。传统运放引脚结构中二次谐波失真的一个原因是非垂直输入和负電(diàn)源引脚之间的耦合。LFCSP封装的低失真引脚消除了这种耦合，并大大降低了二次谐波失真；在某些情况下，降低可(kě)高达14分(fēn)贝。图12显示了AD8099 SOIC和LFCSP封装在失真性能(néng)上的差异。

这种封装在功耗方面还有(yǒu)另一个优势。LFCSP提供了一个暴露的桨叶，它降低了封装的热阻，并且可(kě)以将热阻提高约40%。由于其较低的热阻，该封装运行温度较低，因此可(kě)靠性较高

（图12.AD8099失真比较相同的运算放大器在SOIC和LFCSP封装.）

目前，三个模拟设备高速运算放大器可(kě)与新(xīn)的低失真引脚：AD8045，AD8099和AD8000。

八、布線(xiàn)和屏蔽

電(diàn)路板上有(yǒu)各种各样的模拟和数字信号，電(diàn)压和電(diàn)流从直流到千兆赫不等。防止信号相互干扰是很(hěn)困难的。

在電(diàn)路规划时就要要注意哪些信号是敏感的，并确定必须采取哪些步骤来保持其完整性。地平面為(wèi)電(diàn)信号提供了一个共同的参考点，它们也可(kě)用(yòng)于屏蔽。当需要信号隔离时，第一步应提供信号迹線(xiàn)之间的物(wù)理(lǐ)距离。以下是一些值得注意的良好做法：

1、尽量减少長(cháng)时间的平行运行和信号轨迹在同一块板上的接近，将减少電(diàn)感耦合。

2、最小(xiǎo)化相邻层上的長(cháng)轨迹将防止電(diàn)容耦合。

需要高隔离度的信号通道应在单独的层上布線(xiàn)，如果它们不能(néng)完全保持距离，则应在地平面之间相互垂直。正交布線(xiàn)将使電(diàn)容耦合最小(xiǎo)化，接地将形成電(diàn)屏蔽。这项技术被用(yòng)于形成可(kě)控阻抗線(xiàn)。

高频（RF）信号通常在受控阻抗線(xiàn)上运行。也就是说，轨迹保持一个特性阻抗，例如50欧姆（在射频应用(yòng)中是典型的）。两种常见的控制阻抗線(xiàn)，微带線(xiàn)和带状線(xiàn)都可(kě)以产生相似的结果，但实现方式不同。

微带控制阻抗線(xiàn)，如图13所示，可(kě)以在電(diàn)路板的任一侧运行；它使用(yòng)紧靠其下方的接地平面作為(wèi)参考平面。

（图13.微带传输線(xiàn).）

公式6可(kě)用(yòng)于计算FR4板的特性阻抗。

 （公式6）

H是从地平面到信号線(xiàn)的距离，W是線(xiàn)宽度，T是線(xiàn)厚度；所有(yǒu)尺寸单位為(wèi)mils。ε_r是PCB材料的介電(diàn)常数。

带状線(xiàn)控制阻抗線(xiàn)（见图14）使用(yòng)两层地平面，信号線(xiàn)夹在它们之间。这种方法使用(yòng)更多(duō)的通道，需要更多(duō)的板层，对介電(diàn)厚度变化敏感，而且成本更高，因此通常只在要求苛刻的应用(yòng)中使用(yòng)。

（图14.带状線(xiàn)控制阻抗線(xiàn).）

带状線(xiàn)的特性阻抗设计公式如公式7所示。

（公式7）

保护环，或称“保护”，是与运放一起使用(yòng)的另一种常见的屏蔽类型；它用(yòng)于防止杂散電(diàn)流进入敏感节点。其原理(lǐ)很(hěn)简单，就是用(yòng)保护导體(tǐ)完全包围敏感节点，保护导體(tǐ)与敏感节点保持在或驱动到（低阻抗）相同的電(diàn)位，从而从敏感节点吸收杂散電(diàn)流。图15（a）显示了反向和非反向运算放大器配置的保护环示意图。图15（b）显示了SOT-23-5包的两个保护环的典型实现。

（图15.护环.(a)反转和非反转操作.(b) SOT-23-5封装.）

屏蔽和布線(xiàn)还有(yǒu)许多(duō)其他(tā)选项，这里就不一一赘述了。

结论

電(diàn)路板布局是运放電(diàn)路设计成功的关键，特别是对于高速電(diàn)路。良好的電(diàn)路原理(lǐ)图是良好布局的基础；電(diàn)路设计者和布局设计者之间的紧密协调是必不可(kě)少的，尤其是关于零件和布線(xiàn)的位置。要考虑的主题包括電(diàn)源旁路、最小(xiǎo)化寄生、使用(yòng)接地平面、运放封装的效果以及布線(xiàn)和屏蔽的方法。