放大器和視頻濾波器電路板的設(shè)計(jì)技巧

 在任何一個(gè)設(shè)計(jì)人員的工具箱里，集成電路
集成電路

　　集成電路是采用半導(dǎo)體制作工藝，在一塊較小的單晶硅片上制作上許多晶體管及電阻器、電容器等元器件，并按照多層布線或遂道布線的方法將元器件組合成完整的電子電路。它在電路中用字母"IC"(也有用文字符號(hào)"N"等)表示。 [全文]

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
濾波器
　　凡是有能力進(jìn)行信號(hào)處理的裝置都可以稱為濾波器。在近代電信裝備和各類控制系統(tǒng)中，濾波器應(yīng)用極為廣泛；在所有的電子部件中，使用最多，技術(shù)最復(fù)雜要算濾波器了。濾波器的優(yōu)劣直接決定產(chǎn)品的優(yōu)劣，所以，對(duì)濾波器的研究和生產(chǎn)歷來為各國所重視。 [全文]

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
振蕩器
　　振蕩器是收發(fā)設(shè)備的基礎(chǔ)電路,它的作用是產(chǎn)生一定頻率的交流信號(hào)，是一種能量轉(zhuǎn)換裝置——將直流電能轉(zhuǎn)換為具有一定頻率的交流電能。 [全文]

。不過，實(shí)際中這種方案存在一些問題。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)該如何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，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）而言，這尤其重要。

　　電路板、負(fù)載（尤其是電容性負(fù)載）和/或版圖設(shè)計(jì)，都會(huì)引入無形的電容和電感。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，從而導(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。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？

　　首先我們來看看振蕩器，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
電阻

　　電阻，物質(zhì)對(duì)電流的阻礙作用就叫該物質(zhì)的電阻。電阻小的物質(zhì)稱為電導(dǎo)體，簡稱導(dǎo)體。電阻大的物質(zhì)稱為電絕緣體，簡稱絕緣體。 [全文]

（Rs）來提高放大器的穩(wěn)定性和建立時(shí)間（settling time）性能。

圖1：在輸出端增加Rs提高穩(wěn)定性。

　　圖2給出了驅(qū)動(dòng)傳輸電纜
電纜

　　電纜是一種用以傳輸電能信息和實(shí)現(xiàn)電磁能轉(zhuǎn)換的線材產(chǎn)品。既有導(dǎo)體和絕緣層，有時(shí)還加有防止水份侵入的嚴(yán)密內(nèi)護(hù)層，或還加機(jī)械強(qiáng)度大的外護(hù)層，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，截面積較大的產(chǎn)品叫做電纜。 [全文]

（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
音頻放大器

　　音頻放大器已經(jīng)有快要一個(gè)世紀(jì)的歷史了，最早的電子管放大器的第一個(gè)應(yīng)用就是音頻放大器。然而直到現(xiàn)在為止，它還在不斷地更新、發(fā)展、前進(jìn)。主要因?yàn)槿祟惖穆犛X是各種感覺中的相當(dāng)重要的一種，也是最基本的一種。為了滿足它的需要，有關(guān)的音頻放大器就要不斷地加以改進(jìn)。 [全文]

），也具有非常嚴(yán)格的失真要求?？傊C波失真（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)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)電壓被不均衡地調(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，經(jīng)驗(yàn)證明，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，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)踐經(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。在這種配置中，采用0.1uF陶瓷電容
陶瓷電容

　　用高介電常數(shù)的電容器陶瓷〈鈦酸鋇一氧化鈦〉擠壓成圓管、圓片或圓盤作為介質(zhì)，并用燒滲法將銀鍍?cè)谔沾缮献鳛殡姌O制成。它又分高頻瓷介和低頻瓷介兩種。具有小的正電容溫度系數(shù)的電容器，用于高穩(wěn)定振蕩回路中，作為回路電容器及墊整電容器。低頻瓷介電容器限于在工作頻率較低的回路中作旁路或隔直流用，或?qū)Ψ€(wěn)定性和損耗要求不高的場合〈包括高頻在內(nèi)〉。這種電容器不宜使用在脈沖電路中，因?yàn)樗鼈円子诒幻}沖電壓擊穿。 [全文]

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。

　　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3）。圖4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4所示的情況下，多媒體設(shè)備的復(fù)合視頻信號(hào)端子
端子

　　端子通常指由銅材等沖制而成的連接器接觸件。端子是連接電氣線路的常用元件，主要在器件與組件、組件與機(jī)柜、系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間起電連接和信號(hào)傳遞的作用，并且盡量保持系統(tǒng)與系統(tǒng)之間不發(fā)生信號(hào)失真和能量損失的變化。 [全文]

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5所示為飛兆半導(dǎo)體的FMS*6A視頻濾波驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)25pF 的負(fù)載，圖6所示為FMS*6A驅(qū)動(dòng)47pF的電容性負(fù)載。這表明，電容越小，性能越好。

圖3：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。

圖4：FMS*6A 視頻濾波器輸出到 S-視頻。

圖5：FMS*6A 視頻濾波驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)25pF 的負(fù)載。

圖6：FMS*6A 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”可能頗有裨益：

　　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） 盡可能縮短引腳長度。 縮短引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
電容器

　　所謂電容器就是能夠儲(chǔ)存電荷的“容器”。只不過這種“容器”是一種特殊的物質(zhì)——電荷，而且其所存儲(chǔ)的正負(fù)電荷等量地分布于兩塊不直接導(dǎo)通的導(dǎo)體板上。至此，我們就可以描述電容器的基本結(jié)構(gòu)：兩塊導(dǎo)體板（通常為金屬板）中間隔以電介質(zhì)，即構(gòu)成電容器的基本模型。 [全文]

） 。

　　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
鉭電容

　　鉭電容全稱是鉭電解電容，也屬于電解電容的一種，使用金屬鉭做介質(zhì)，不像普通電解電容那樣使用電解液，，鉭電容不需像普通電解電容那樣使用鍍了鋁膜的電容紙燒制，本身幾乎沒有電感，但這也限制了它的容量。 [全文]

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，該距離延長一點(diǎn)點(diǎn)會(huì)改善失真性能。

　　11） 調(diào)整旁路電容，減小失真。當(dāng)單個(gè)運(yùn)算放大器
運(yùn)算放大器

　　運(yùn)算放大器（Operational Amplifier,簡稱OP、OPA、OPAMP）是一種直流耦合﹐差模（差動(dòng)模式）輸入、通常為單端輸出的高增益電壓放大器。在實(shí)際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)和不同的反饋方式，共同組成某些功能和特性不同的模塊，這些模塊是各種電子電路中最基本的環(huán)節(jié)?？梢娺\(yùn)放在電子電路中的應(yīng)用之廣。 [全文]

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，避免失誤。

圖7：一個(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） 。