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老外总结的高频PCB版的布线经验,值得一看

虽然优的原理图不能保证好的布线,但好的布线始于好的原理图。在绘制原理图时,应仔细考虑整个电路的信号流。如果原理图中从左到右有正常稳定的信号流,那么在PCB也应该有同样好的信号流。尽可能多地在原理图上提供有用的信息。由于有时电路设计工程师不在,客户会要求我们帮助解决电路问题,从事这项工作的设计师、技术人员和工程师会非常感激。

除了普通的参考标的参考标识符、功耗和误差容限外,还应给出哪些信息?以下是将普通原理图转化为一流原理图的建议。机械信息、印刷线长度息、印刷线长度、空白区域;需要放置哪些元件?PCB以上;给出调整信息、元件值范围、散热信息、控制阻抗印刷线、注释和简要的电路动作描述……(以及其它)。

如果不是自己设计布线,一定要留出足够的时间仔细检查布线人的设计。在这一点上,很小的预防值得补救100倍。不要指望布线的人能理解你的想法。在布线设计过程的早期阶段,你的意见和指导是最重要的。你能提供的信息越多,你在整个布线过程中干预的越多,结果就越好PCB就会越好。根据您想要的布线进度报告,快速检查布线设计工程师的临时完成点。这种闭环方法可以防止布线误入歧途,从而最大限度地降低返工的可能性。

布线工程师的指示包括:对电路功能的简要描述,标明输入和输出位置PCB略图,PCB层叠信息(比如板有多厚,有多少层,详细信息-功耗、地线、模拟信号、数字信号和接地平面RF信号);每层需要哪些信号;重要元件的放置位置;旁路元件的确切位置;哪些印刷线非常重要;哪些线路需要控制阻抗印刷线;哪些线路需要匹配长度;元件的大小;哪些印刷线需要彼此远离(或靠近);哪些线需要彼此远离(或靠近);哪些组件需要彼此远离(或靠近);哪些组件应该放在哪里?PCB的上面,下面放哪些?永远不要抱怨你需要给别人太多的信息——太少?永远不要抱怨你需要给别人太多的信息——太少?是的;太多了吗?不。

一个学习经验:大约10年前,我设计了一个多层表面粘贴电路板-板的两侧。用许多螺钉将板固定在镀金铝壳中(由于防震指标严格)。通过板子提供偏置馈通的引脚。引脚是通过焊接线连接到的PCB上的。这是一个非常复杂的装置。板上的一些部件用于测试设置(SAT)的。但我已经明确规定了这些元件的位置。你能猜出这些元件安装在哪里吗?对了,在板下。当产品工程师和技术人员不得不拆卸整个设备并重新组装它们时,他们似乎很不高兴。从那以后,我再也没有犯过这样的错误。

正像在PCB中间,位置决定一切。把电路放在里面。PCB所有这些都非常重要,如何安装其特定的电路元件,以及其相邻的其他电路。

通常,输入、输出和电源的位置是提前确定的,但它们之间的电路需要发挥自己的创造力。这就是为什么注意布线细节会有巨大的回报。根据具体电路和整个关键元件的位置,从关键元件的位置开始PCB来考虑。关键元件的位置和信号路径从一开始就有助于确保设计达到预期的工作目标。正确的设计可以降低成本和压力,缩短开发周期。

放大器电源端旁路电源以降低噪音PCB设计过程中一个非常重要的方面,包括高速操作放大器或其他高速电路。旁路高速操作放大器有两种常用的配置方法。

电源端接地:在大多数情况下,这种方法是最有效的使用多个并联电容器直接接地操作放大器的电源引脚。一般来说,两个并联电容器就足够了——但增加并联电容器可能会给某些电路带来好处。

并联电容值不同的电容器有助于确保电源引脚只能在宽频带上看到低交流(AC)阻抗。这对于操作放大器的电源抑制比(PSR)衰减频率尤为重要。该电容器有助于补偿放大器的减少PSR。在许多十倍频率范围内保持低阻抗的接地通道将有助于确保有害噪声不能进入操作放大器。图1显示了多个并联电容器的优点。大电容器在低频段提供低阻抗接地通道。但一旦频率达到自身的谐振频率,电容器的容性就会减弱,并逐渐表现出感性。这就是为什么使用多个电容器是一个非常重要的原因:当一个电容器的频率响应开始下降时,另一个电容器的频率响应开始起作用,因此它可以在许多十倍频率范围内保持非常低AC阻抗。

图1. 电容器阻抗与频率的关系。

直接从操作放大器的电源引脚开始;电容值最小、物理尺寸最小的电容器应与操作放大器放置在一起PCB同一面——尽可能靠近放大器。电容器的接地端应直接用最短的引脚或印刷线连接到接地平面。上述接地连接应尽可能靠近放大器的负载端,以减少电源端和接地端之间的干扰。图2显示了这种连接方法。

图2. 并联电容器旁路电源端和地面。

二次大电容值的电容器应重复此过程。最好从0开始.01 μF最小电容值开始放置,靠近放置2.2 μF(或大一点)低等效串联电阻(ESR)电解电容器。0508外壳尺寸为0.01 μF电容器串联电感低,高频性能好。

从电源端到电源端:另一种配置方法是在操作放大器的正负电源端之间跨接一个或多个旁路电容器。这种方法通常用于在电路中配置四个电容器。由于电容器两端的电压是单电源旁路,因为电容器两端的电压是单电源旁路方法的两倍。增加电压需要增加装置的额定击穿电压,即增加外壳尺寸。但这种方法可以改进PSR性能失真。

由于各电路和布线不同,电容器的配置、数量和电容值应根据实际电路的要求确定。

所谓寄生效应,就是那些溜进你的人PCB并在电路中造成损坏、头痛、原因不明的小故障(字面意思)。它们是隐藏在高速电路中的寄生电容和寄生电感。包括由封装引脚和印刷线过长形成的寄生电感;焊盘到地、焊盘到电源平面、焊盘到印刷线形成的寄生电容器;通孔之间的相互影响以及许多其他可能的寄生效应。图3(a)显示了同相操作放大器的典型原理图。但是,如果考虑寄生效应,同一电路可能会变成图3(b)那样。

图3. 典型的操作放大器电路,(a)原设计图,(b)考虑寄生效应后的图。

在高速电路中,小值会影响电路的性能。有时几十种皮法(pF)电容就够了。相关实例:如果反相输入端只有1 pF附加寄生电容器可以在频率域引起近2 dB尖脉冲(见图4)。如果寄生电容足够大,会导致电路不稳定和振荡。

图4. 附加尖脉冲是由寄生电容引起的。

在寻找有问题的寄生源时,可能需要几个基本公式来计算上述寄生电容器的大小。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cm二是单位极板面积,k表示PCB材料的相对介电常数,d表示以cm单位的极板间距。

图5. 两极板之间的电容。

带状电感是另一种需要考虑的寄生效应,它是由于印刷线太长或缺乏接地平面造成的。公式(2)显示计算印刷线电感(Inductance)的公式。参见图6。

(2)

W表示印线宽度,L表示印制线的长度,H表示印刷线的厚度。所有尺寸均为mm为单位。

图6. 印线电感。

图7中的振荡显示了高速操作放大器相同输入端的长度.54 cm印刷线的影响。其等效寄生电感为29 nH(10-9H),足以引起持续的低压振荡,并将持续到整个瞬态响应周期。图7还显示了如何使用接地平面来减少寄生电感的影响。

&bsp;     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。

 

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。本文的最后列出有关的参考文献。

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。

 

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。

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。         

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。

 

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。

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PC材料料的介电常数。

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。

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。

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,建议读者阅读更多参考文献。

标签: 负馈放大电路5t电感多少nh电容器pcb频敏电阻器原理

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