如何應(yīng)對電路板寄生組件對電路性能的干擾
電路板布線所產(chǎn)生主要寄生組件分別是電阻、電容以及電感。從電路圖轉(zhuǎn)成實(shí)際電路板時,所有寄生組件都有機(jī)會干擾電路性能。當(dāng)一系統(tǒng)混合數(shù)字與模擬組件時,仔細(xì)布線是電路板成功與否關(guān)鍵。尤其,靠近高阻抗模擬走線經(jīng)常變化之?dāng)?shù)字走線將造成嚴(yán)重耦合噪聲,只有讓這兩種走線保持距離方可避免這種現(xiàn)象。本文量化了最棘手電路板寄生組件、電路板電容,并列舉可清楚看到電路板上性能例子來說明。
非必要電容帶來困擾
兩條相鄰平行走線會形成布線電容。電容值可用(圖一)中所示公式計(jì)算。
注:兩條走線相鄰布置,即可在一塊電路板上形成電容。因?yàn)榇朔N電容,在一條走在線快速電壓變化可在另一條走在線引起電流信號。
圖一 兩條走線相鄰布置可在一塊電路板上形成電容
當(dāng)高阻抗模擬走線貼近數(shù)字走線時,這種電容可能會在敏感混合訊號電路中造成問題。例如 (圖二)中電路就可能會面臨這類問題。
注:以三個8位數(shù)字電位計(jì)和三個運(yùn)算放大器組成之輸出電壓達(dá) 6萬5536階之16位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。如果 VDD 在這個系統(tǒng)內(nèi)是 5V,這個數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器分辨率或 LSB大小就是 76.3μV。
圖二 線與線太靠近,容易在電路板中產(chǎn)生寄生電容
(圖二)電路動作,使用三個8位數(shù)字電位計(jì)和三個CMOS運(yùn)算放大器來組成一個16位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。圖二左側(cè),有兩個數(shù)位電位計(jì)(U3a and U3b)接到 VDD與地間,該中心抽頭輸出端連接至兩個運(yùn)算放大器(U4a 與 U4b)非反向輸入端。使用微控制器U1 之SPI接口來規(guī)劃數(shù)字電位計(jì)U2與U3。在這個架構(gòu)中,每個數(shù)字電位計(jì)被規(guī)劃為一個8位之多階數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。如果VDD等于5V,這些數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器 LSB 大小等于19.61mV。
這兩個數(shù)字電位計(jì)之中心抽頭端被連接至兩個當(dāng)緩沖器運(yùn)算放大器之非反向輸入端。在這個電路結(jié)構(gòu)中,運(yùn)算放大器之輸入端是高阻抗,將數(shù)字電位計(jì)與電路其它部份隔離。這兩個運(yùn)算放大器輸出之變化振幅被規(guī)劃在不會超出第二級運(yùn)算放大器允許范圍內(nèi)。
要讓這個電路形成16位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(U2a),第三個數(shù)字電位計(jì)會在這兩個運(yùn)算放大器U4a與U4b之輸出范圍內(nèi)變動。規(guī)劃U3a和U3b用來設(shè)定數(shù)字電位計(jì)之輸出電壓。再者,如果VDD是5V,則有可能將U3a與U3b個別規(guī)劃為每一步19.61mV變化量。以此電壓跨在第三個8位數(shù)字電位計(jì)R3 上,使本電路最低有效位所對應(yīng)電壓值為 76.3uV。
本電路可被用于兩種基本操作模式;第一種模式用于可規(guī)劃調(diào)整之直流參考電壓,在這個模式中,只是偶爾使用電路之?dāng)?shù)字部份而在正常操作中卻沒有;第二種模式用于任意波型產(chǎn)生器,在這個模式中,電路之?dāng)?shù)字部份是操作核心,且可能發(fā)生電容耦合情形。圖二中電路第一種完成布線如(圖三)所示。
注:此為對圖二中電路第一種布線。在圖二中可迅速看到,重要高阻抗模擬走線與數(shù)字走線極為接近。本結(jié)構(gòu)在模擬走在線,因特定數(shù)位走線之?dāng)?shù)據(jù)輸入碼改變,產(chǎn)生無預(yù)期且隨數(shù)字電位計(jì)規(guī)劃需求而變化噪聲。
圖三 圖二中另一方式布線圖
觀察布線中有顏色走線,潛在問題很明顯。箭頭所指模擬走線(藍(lán)色)從U3a之中心抽頭至U4a之高阻抗放大器輸入端。另一箭頭所指數(shù)字走線(綠色)是用來傳送數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)以規(guī)劃設(shè)定數(shù)字電位計(jì)。在實(shí)驗(yàn)桌上,發(fā)現(xiàn)綠色走在線數(shù)字訊號耦合到敏感藍(lán)色走線內(nèi),如(圖四)所示。
注:示波器照片中,最上面是JP1波形(規(guī)劃數(shù)字電位計(jì)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)),中間是JP5波形(在相鄰模擬走在線噪聲),最下面$是TP10波形(16位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器輸出端噪聲)
圖四 示波器照片圖
在系統(tǒng)中,規(guī)劃數(shù)字電位計(jì)之?dāng)?shù)字訊號已從走線感應(yīng)到到另一條具有直流電壓之模擬走線,而這個噪聲又一路透過電路模擬部份傳遞到第三數(shù)字電位計(jì)(U5a)。第三數(shù)字電位計(jì)在兩個運(yùn)算放大器之輸出狀態(tài)間變動。解決該問題之方式為將走線分開。(圖五)顯示一個改善布線解決方案。
注:這個距離實(shí)質(zhì)上已消除了在之前布線中造成干擾數(shù)字噪聲。
圖五 使用這個新布線,模擬走線和數(shù)字走線已被分開
注:這個新布線中16位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器正顯示一個單*轉(zhuǎn)換,從通信到數(shù)字電位計(jì)沒有任何數(shù)字噪聲。
布線變更結(jié)果將模擬與數(shù)字走線仔細(xì)分開,本電路變成一個很干凈16位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。第三數(shù)字電位計(jì)76.29μV一個單*轉(zhuǎn)換顯示在綠色波形。示波器刻度是80mV/div且被顯示代碼變更幅度約為80mV。受限于實(shí)究室配備,所以將 16位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器輸出乘以1000倍。
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