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从实践角度探讨高速PCB设计的布线问题(下)

发布时间 :2017-10-27 11:40 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCB设计部
  封装
  运算放大器通常采用不同的封装形式。所选的封装会影响放大器的高频性能。主要的影响包括寄生效应(前面提到的)和信号路径。这里我们集中讨论放大器的路径输入、输出和电源。
  图9示出了采用SOIC封装(a)和SOT-23封装(b)的运算放大器之间的布线区别。每种封装都有它自身的一些问题。重点看(a),仔细观察反馈路径就 发现有多种方法连接反馈。最重要的是保证印制线长度最短。反馈路径中的寄生电感会引起振铃和过冲。在图9(a)和9(b)中,环绕放大器连接反馈路径。图 9(c)示出了另外一种方法——在SOIC封装下面连接反馈路径——这样就减小了反馈路径的长度。每种方法都有细微的差别。第一种方法会导致印制线过长,会增大串联电感。第二种方法采用了通孔,会引起寄生电容和寄生电感。在给PCB设计布线时必须要考虑这些寄生效应的影响及其隐含的问题。SOT-23布线差几 乎是最理想的:反馈印制线长度最短,而且很少利用通孔;负载和旁路电容从很短的路径返回到相同的地线连接;正电源端的电容(图9(b)中未示出)直接放在 在PCB的背面的负电源电容的下面。
  
图9. 同一运算放大器电路的布线区别。(a)SOIC封装,(b)SOT-23封装,(c)在PCB下面采用RF的SOIC封装
图9. 同一运算放大器电路的布线区别。(a)SOIC封装,(b)SOT-23封装,(c)在PCB下面采用RF的SOIC封装。
 
  低失真放大器的引脚排列:ADI公司提供的一些运算放大器(例如AD80451)采用了一种新的低失真引脚排列,有助于消除上面提及的两个问题;而且它还提高了其它两个重要方面的性能。LFCSP的低失真引脚排列,如图10所示,将传统运算放大器的引脚排列按着逆时针方向移动一个引脚并且增加了一个输出引脚作为专用的反馈引脚。
  
图10. 采用低失真引脚排列的运算放大器
图10. 采用低失真引脚排列的运算放大器
 
  低失真引脚排列允许输出引脚(专用反馈引脚)和反相输入引脚之间可以靠近连接,如图11所示。这样极大地简化和改善了布线。
  
图11. AD8045低失真运算放大器的PCB设计布线
图11. AD8045低失真运算放大器的PCB设计布线
 
  这种引脚排列还有一个好处就是降低了二次谐波失真。传统运算放大器的引脚配置中引起二次谐波失真的一个原因是同相输入和负电源引脚之间的耦合作用。 LFCSP封装的低失真引脚排列消除了这种耦合所以极大地降低了二次谐波失真;在有些情况下最多可降低14 dB。图12示出了AD80992采用SOIC封装和LFCSP封装失真性能的差别。
  这种封装还有一个好处——功耗低。LFCSP封装有一个裸露的焊盘,它降低了封装的热阻,从而能改善θJA值约40%。因为降低了热阻,所以降低了器件的工作温度,也就相当于提高可靠性。
  
图11. AD8045低失真运算放大器的PCB设计布线
图12 . AD8099不同封装失真性能对比——相同的运算放大器采用SOIC和LFCSP封装
 
  目前,ADI公司提供采用新的低失真引脚排列三种高速运算放大器:AD8045,AD8099和AD80003。
 
        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13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13. 微带传输线
图13. 微带传输线。
 
公式(6)可以用于计算一块FR4板的特征阻抗。
公式(6)可以用于计算一块FR4板的特征阻抗
 
  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14)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14. 带状控制阻抗印制线
图14. 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。
  
公式(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15(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15(b)示出用于SOT-23-5封装中两种保护环的典型布线方法。
  
图15. 保护环。(a)反相和同相工作。(b)SOT-23-5封装
图15. 保护环。(a)反相和同相工作。(b)SOT-23-5封装。
 
  结论
  高水平的PCB设计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。


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