從實踐角度探討高速PCB的布線問題

　　寄生效應(yīng)

　　所謂寄生效應(yīng)就是那些溜進(jìn)你的PCB并在電路中大施破壞、頭痛令人、原因不明的小故障(按照字面意思)。它們就是滲入高速電路中隱藏的寄生電容和寄生電感。 其中包括由封裝引腳和印制線過長形成的寄生電感;焊盤到地、焊盤到電源平面和焊盤到印制線之間形成的寄生電容;通孔之間的相互影響，以及許多其它可能的寄 生效應(yīng)。圖3(a)示出了一個典型的同相運算放大器原理圖。但是，如果考慮寄生效應(yīng)的話，同樣的電路可能會變成圖3(b)那樣。

　　圖3. 典型的運算放大器電路，(a)原設(shè)計圖，(b)考慮寄生效應(yīng)后的圖。

　　在高速電路中，很小的值就會影響電路的性能。有時候幾十個皮法(pF)的電容就足夠了。相關(guān)實例：如果在反相輸入端僅有1 pF的附加寄生電容，它在頻率域可以引起差不多2 dB的尖脈沖(見圖4)。如果寄生電容足夠大的話，它會引起電路的不穩(wěn)定和振蕩。

　　圖4. 由寄生電容引起的附加尖脈沖。

　　當(dāng)尋找有問題的寄生源時，可能用得著幾個計算上述那些寄生電容尺寸的基本公式。公式(1)是計算平行極板電容器(見圖5)的公式。

　　C表示電容值，A表示以cm2為單位的極板面積，k表示PCB材料的相對介電常數(shù)，d表示以cm為單位的極板間距離。

　　圖5. 兩極板間的電容。

　　帶狀電感是另外一種需要考慮的寄生效應(yīng)，它是由于印制線過長或缺乏接地平面引起的。式(2)示出了計算印制線電感(Inductance)的公式。參見圖6。

　　W表示印制線寬度，L表示印制線長度，H表示印制線的厚度。全部尺寸都以mm為單位。

　　圖6. 印制線電感。

　　圖7中的振蕩示出了高速運算放大器同相輸入端長度為2.54 cm的印制線的影響。其等效寄生電感為29 nH(10-9H)，足以造成持續(xù)的低壓振蕩，會持續(xù)到整個瞬態(tài)響應(yīng)周期。圖7還示出了如何利用接地平面來減小寄生電感的影響。

　　圖7. 有接地平面和沒有接地平面的脈沖響應(yīng)。

　　通孔是另外一種寄生源;它們能引起寄生電感和寄生電容。公式(3)是計算寄生電感的公式(參見圖8)。

　　T表示PCB的厚度，d表示以cm為單位的通孔直徑。

　　圖8. 通孔尺寸。

　　公式(4)示出了如何計算通孔(參見圖8)引起的寄生電容值。

　　εr 表示PCB材料的相對磁導(dǎo)率。T表示PCB的厚度。D1表示環(huán)繞通孔的焊盤直徑。D2表示接地平面中隔離孔的直徑。所有尺寸均以cm為單位。在一塊 0.157 cm厚的PCB上一個通孔就可以增加1.2 nH的寄生電感和0.5 pF的寄生電容;這就是為什么在給PCB布線時一定要時刻保持戒備的原因，要將寄生效應(yīng)的影響降至最小。