放大器和視頻濾波器電路板設計技巧

摘要
在任何一個設計人員的工具箱里，集成電路放大器都是最基本的構(gòu)件模塊之一，它是目前市面上最全能的產(chǎn)品之一。放大器具有多項功能，如驅(qū)動ADC，驅(qū)動多個視頻負載，作為視頻或其它類型濾波器，驅(qū)動高速儀器信號等等。它們還可以作為振蕩器，不過，在某些實際應用中卻會成為一個問題，因為放大器應該只在設計人員需要的時候才振蕩。而如果電路板設計不正確，放大器卻會自行其是，隨意振蕩。那么，設計人員應該怎么做才能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過的知識，即振蕩與電容、電感和反饋相關。因此，關鍵在于精心設計電路板，確保減少或消除任何無關的電容性和電感性反饋路徑。本文將給出13條版圖設計指南。

在任何一個設計人員的工具箱里，集成電路放大器都是最基本的構(gòu)件模塊之一，它也是目前市面上最全能的產(chǎn)品之一。放大器具有多項功能，比如驅(qū)動ADC，驅(qū)動多個視頻負載，作為視頻或其他類型濾波器而工作，驅(qū)動高速儀器信號等等。它們還可以作為振蕩器，不過，實際中這種方案的確存在一些問題，因為放大器應該只在設計人員需要的時候才振蕩。而如果電路板設計不正確，放大器卻會自行其是，隨意振蕩。那么，設計人員應該怎么做才能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過的知識，即振蕩與電容、電感和反饋相關。因此，關鍵在于精心設計電路板，確保減少或消除任何無關的電容性和電感性反饋路徑。對于較高速的放大器(大于50MHz)，這尤其重要。

電路板、負載(尤其是電容性負載)，以及/或版圖設計，都會帶來無形的電容和電感。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，導致失真。因此，有些號稱減少失真的技術(shù)其實是適得其反，與避免振蕩的設計規(guī)則背道而馳。(設計人員的工作從來非易事，的確如此)那么，在進行放大器或視頻濾波器的版圖設計時，為了保持全局平衡，減少失真和振蕩，需要考慮到哪些事項呢？

首先看看振蕩器，在利用放大器直接驅(qū)動電容性負載時，負載會與放大器的輸出阻抗會產(chǎn)生相位滯后，而相位滯后將導致脈沖尖峰或振蕩。有些放大器能夠直接驅(qū)動電容性負載，但有些放大器則需要在放大器的輸出端增加一個小串聯(lián)電阻(Rs)來提高放大器的穩(wěn)定性和建立時間(settling time)性能。

圖1

圖2給出了驅(qū)動傳輸電纜(如同軸電纜)的典型電路配置圖。電阻Rs和RL應該等于電纜的特征阻抗(Zo)，而電容C應該可被用來在更大的頻率范圍對電纜進行匹配，以對隨頻率提高而增加的放大器輸出阻抗進行補償。

圖2：驅(qū)動電纜或傳輸線的典型電路圖

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，也具有非常嚴格的失真要求。失真(THD)是音頻質(zhì)量的主要指標，因此，減少版圖引起的失真十分關鍵。

失真的一個重要原因是PCB中的接地電流效應。這種效應來自于流入每個電源和各電源旁路電容的電流，該電流與路徑的電導率成比例。各個不同路徑都存在不同的傳導性，從而導致失真。因為即使PCB本身的材料是線性的，電路板的行為也會表現(xiàn)出“空間非線性”特性。這是因為旁路電容分布在電路板的不同位置，導致接地電流沿不同的路徑流入各個旁路電容。路徑不同導致接地電流流經(jīng)的接地電阻輸入一端的電壓受到影響，而另一端則不會。結(jié)果是輸入信號電壓被不均衡得調(diào)整，導致非線性的產(chǎn)生。在這種情況下，如果一個極性被調(diào)節(jié)，而另一個卻沒有，就會造成二次諧波失真。換一句話說，如果只有正弦波的一個極性被調(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的。為了避免失真，設計人員可以使用共有接地點并在輸出端采用接地旁路電容。

高頻電路板版圖設計的主要規(guī)則是使高頻旁路電容盡可能靠近封裝的電源引腳。不過，實驗顯示，稍微延長高頻旁路電容的連接走線可以提高平坦度和差分增益，從而減少失真。設計規(guī)則當然有益，而設計人員的實驗經(jīng)驗也十分有用，可以確保規(guī)則與實際的一致性。

在電路板上設計視頻濾波驅(qū)動器時，很重要的一點是，應該把輸入耦合電容和端接電阻靠近輸入引腳放置，以獲得最佳信號完整性。圖3所示為視頻濾波器/驅(qū)動器的一種典型AC耦合輸入配置。在這種配置中，采用0.1uF陶瓷電容來對輸入信號進行AC耦合。如果輸入信號不低于接地電位，鉗位電路不激活；但若輸入信號低于接地電位，則鉗位電路會把同步端最低電壓設置為恰好低于接地電位。鉗位電路設置的輸入電平，結(jié)合內(nèi)部DC偏移量，將使輸出信號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)動直流耦合輸入。

圖3

為了獲得最高的輸出信號質(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驅(qū)動器輸出的影響。從器件引腳到串聯(lián)端接電阻的距離不應該超過0.5英寸(見圖4)。圖5是作為多媒體設備中作為輸出驅(qū)動器的視頻濾波器/驅(qū)動器的典型原理示意圖。在圖 5所示的情況下，多媒體設備的復合視頻信號端子接多媒體設備，S視頻輸出端子開通。在這時，讓串聯(lián)端接電阻靠近器件的輸出引腳非常關鍵，可以把寄生電容對濾波器輸出驅(qū)動器的影響降至最小，從而避免輸出端出現(xiàn)振蕩。圖6所示為飛兆半導體的FMS6346A視頻濾波驅(qū)動器驅(qū)動25pF 的負載，圖7所示為FMS6346A驅(qū)動47pF的電容性負載。這表明，電容越小，性能越好。

圖4

圖5 FMS6346A 視頻濾波器輸出到 S-視頻

圖6 FMS6346A 視頻濾波驅(qū)動器驅(qū)動25pF 的負載

圖7 FMS6346A 驅(qū)動 47pF 的電容性負載

那么，考慮到了電路布局對性能的所有可能的影響，設計人員可以做些什么來確保版圖避免振蕩、失真和總體信號質(zhì)量低下呢？下面的基本版圖和旁路電容設計指南“設計規(guī)則13條(Lucky 13)”可能頗有裨益：

“設計規(guī)則 13條”

1) RTM (仔細閱讀產(chǎn)品手冊)。放大器的數(shù)據(jù)手冊一般都會給出它的最小穩(wěn)定增益要求。該指標至關重要，如果放大器的工作增益小于推薦的最小穩(wěn)定增益，就可能產(chǎn)生振蕩。

2)采用一個接地平面。這是為元件提供低感性接地連接的最好方法。

3) 去掉放大器下面和周圍的接地平面，去掉敏感引腳附近的接地平面。去掉高速放大器輸入輸出引腳附近的接地平面，可以減少雜散電容。同樣，去掉放大器下面和周圍的接地平面也很有幫助。

4) 采用表面貼裝元件。這類元件的引腳電感很小。

5) 盡可能縮短引腳長度。 縮短引腳長度可以減少放大器反相輸入端的串聯(lián)電感。

6) 避免使用插槽。避免使用插槽，或者最多使用嵌入式插槽 (flush-mount)，以減少電感。

7) 采用推薦的反饋電阻值。在使用電流反饋放大器時，這一點十分重要。

8) 不要在放大器的直接反饋回路中使用非線性元件 (如電容器) 。

9) 采用一個反饋電阻來實現(xiàn)單位增益配置。而不要使用標準的電壓跟隨（voltage-follower）電路。

10) 使用旁路電容。在每個電源上增加一個旁路電容有助于降低電源引腳處的回流電流路徑阻抗，提高電源噪聲抑制能力，并對電源走線進行高頻過濾。大多數(shù)廠商都推薦使用6.8uF鉭電容和0.1uF陶瓷電容。為獲得最佳性能，應該按照以下規(guī)則放置電容：6.8uF電容距電源引腳不超過0.75英寸，0.1uF電容距電源引腳不超過0.1英寸。當兩者的距離增加時，由于走線電感增加，電容的濾波效果下降。不過，這也需要與失真考慮事項進行權(quán)衡，因為實驗結(jié)果顯示，該距離延長一點點會改善失真性能。

圖8

圖8所示為一個單電源放大器示例。如果使用雙電源放大器，則只需在其它電源上增加相同的旁路電容即可。

11) 調(diào)整旁路電容，減小失真。當單個運算放大器因接地電流路徑而產(chǎn)生失真時，可調(diào)整旁路元件，對接地電流進行調(diào)節(jié)，使其遠離輸入元件。這十分簡單，只需調(diào)整旁路電容，使它的接地連接遠離輸入即可。

12)對于視頻濾波器，使串聯(lián)端接電阻靠近輸出引腳放置。這樣做可以把寄生電容對濾波器輸出驅(qū)動器的影響減至最小，從而避免輸出端出現(xiàn)振蕩。

13) 輸入耦合電容和端接電阻靠近輸入引腳放置，以獲得最佳信號完整性。

電路板布局對系統(tǒng)性能的影響非常大，因此，在版圖設計階段，應該謹慎監(jiān)測，避免失誤。當有疑慮時，請聯(lián)系放大器或視頻濾波器供應商，他們會很樂意提供幫助。