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放大器和視頻濾波器電路板的設(shè)計(jì)技巧

閱讀:800        發(fā)布時(shí)間:2016-4-13

在任何一個(gè)設(shè)計(jì)人員的工具箱里,集成電路放大器都是zui基本的構(gòu)件模塊之一,它也是目前市面上zui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(lèi)型濾波器而工作,驅(qū)動(dòng)高速儀器信號(hào)等等。它們還可以作為振蕩器。不過(guò),實(shí)際中這種方案存在一些問(wèn)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(guò)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(wú)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(wú)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(chēng)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(lái)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(Rs)來(lái)提高放大器的穩(wěn)定性和建立時(shí)間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),也具有非常嚴(yán)格的失真要求。總諧波失真(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(lái)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(xiàn)性的,電路板的行為也會(huì)表現(xiàn)出“空間非線(xiàn)性”特性。這是因?yàn)榕月冯娙莘植荚陔娐钒宓牟煌恢茫瑢?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(xiàn)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(méi)有,就會(huì)造成二次諧波失真。換一句話(huà)說(shuō),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(jiàn)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(guò),經(jīng)驗(yàn)證明,稍微延長(zhǎng)高頻旁路電容的連接走線(xiàn)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*信號(hào)完整性。圖3所示為視頻濾波器/驅(qū)動(dòng)器的一種典型AC耦合輸入配置。在這種配置中,采用0.1uF陶瓷電容來(lái)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zui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zui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(guò)0.5英寸(見(jiàn)圖4)。圖5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5所示的情況下,多媒體設(shè)備的復(fù)合視頻信號(hào)端子接多媒體設(shè)備,S視頻輸出端子開(kāi)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zui小,從而避免輸出端出現(xiàn)振蕩。圖6所示為飛兆半導(dǎo)體的FMS6346A視頻濾波驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)25pF 的負(fù)載,圖7所示為FMS6346A驅(qū)動(dòng)47pF的電容性負(fù)載。這表明,電容越小,性能越好。

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