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电源端旁路电源运放电路PCB的设计技巧有哪些?

旁路电源


在放大器的电源端旁路电源以便降低噪声是PCB设计过程中一个很重要的方面——包括对高速运算放大器还是其它的高速电路。旁路高速运算放大器有两种常用的配置方法。


1电源端接地


这种方法在大多数情况下都是最有效的,采用多个并联电容器将运算放大器的电源引脚直接接地。一般说来两个并联电容就足够了——但是增加并联电容器可能给某些电路带来益处。


并联不同的电容值的电容器有助于确保电源引脚在很宽的频带上只能看到很低的交流(AC)阻抗。这对于在运算放大器电源抑制比(PSR)衰减频率处尤其重要。该电容器有助于补偿放大器降低的PSR。在许多十倍频程范围内保持低阻抗的接地通路将有助于确保有害的噪声不能进入运算放大器。


图1示出了采用多个并联电容器的优点。在低频段,大的电容器提供低阻抗的接地通路。但是一旦频率达到了它们自身的谐振频率,电容器的容性就会减弱,并且逐渐呈现出感性。这就是为什么采用多个电容器是很重要的原因: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其作用,所以能在许多十倍频程范围内保持很低的AC阻抗。


电源端旁路电源运放电路PCB的设计技巧有哪些?

图1 电容器的阻抗与频率的关系


直接从运算放大器的电源引脚入手;具有最小电容值和最小物理尺寸的电容器应当与运算放大器置于PCB的同一面——而且尽可能靠近放大器。电容器的接地端应该用最短的引脚或印制线直接连至接地平面。上述的接地连接应该尽可能靠近放大器的负载端以便减小电源端和接地端之间的干扰。图2示出了这种连接方法。


电源端旁路电源运放电路PCB的设计技巧有哪些?

图2 旁路电源端和地的并联电容器


对于次大电容值的电容器应该重复这个过程。最好从0.01µF最小电容值开始放置,并且靠近放置一个2.2µF(或大一点儿)的具有低等效串联电阻(ESR)的电解电容器。采用0508外壳尺寸的0.01µF电容器具有很低的串联电感和优良的高频性能。


2电源端到电源端


另外一种配置方法采用一个或多个旁路电容跨接在运算放大器的正电源端和负电源端之间。当在电路中配置四个电容器很困难的情况下通常采用这种方法。


它的缺点是电容器的外壳尺寸可能增大,因为电容器两端的电压是单电源旁路方法中电压值的两倍。增大电压就需要提高器件的额定击穿电压,也就是要增大外壳尺寸。但是,这种方法可以改进PSR和失真性能。


因为每种电路和布线都是不同的,所以电容器的配置、数量和电容值都要根据实际电路的要求而定。


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。


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3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。

 

电源端旁路电源运放电路PCB的设计技巧有哪些?

图3 微带传输线


公式(1)可以用于计算一块FR4板的特征阻抗。


(1)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4)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。


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图4 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(2)所示。


(2)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5(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5(b)示出用于SOT-23-5封装中两种保护环的典型布线方法。

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