PCB设计中如何进行放大器的正确布局?

  
  在PCB设计中,要特别注意放大器在印制电路板上的布局,因为不当的印制电路板布局可以使失真性能恶化20dB。
  典型的高速放大器结构都包括两套旁路电容器(图 1)。一套电容器的电容量较大(约 1mF 至 10mF),另一套则要小几个数量级(1nF至100nF)。在放大器的电源衰减较低的频率下这些电容器能提供一个低阻抗的接地通路。一个高速放大器的正确旁路通常需要两组或两组以上的电容器,因为在放大器带宽上限前,电容量较大的电容器组一般会发生自谐振。高质量的片式电容器是理想的去耦电容器,因为它们与通孔式电容器相比,电感量要低很多。
  
  电阻器RT用于端接放大器的输入,使源阻抗与用于测量的测试仪器的阻抗相匹配。在不使用传输线的应用电路中,无需使用端接电阻器。图中放大器的输出驱动负载为RL,RL表示放大器要驱动的任何可能的负载。当放大器的输出电压为正时,放大器必须为RL提供电流。同样,当输出电压为负时,放大器必须吸收电流。无论放大器是通过负载吸收电流还是为负载提供电流,都要有电流返回电源的通道。电流在返回时会选择最低阻抗的通道。
  
  在高频情况下,最低阻抗通道是经过旁路电容器。当放大器提供或吸收高频电流时,该电流要流经多个回路。上行旁路电容器的接地端为运放提供电流,而运放的吸收电流通过下行旁路电容器接地。每个流经旁路电容器的高频电流都被半波整流。有效旁路的关键是要了解高频电流如何流动。
  
  
  所示电路包括驱动等效1kΩ负载的一个高速放大器,负载构成一个衰减器,为测试需要保持一个50Ω的反向端接(图 2)。输入也端接到50Ω,以匹配使用的信号源。不同电路板布局的失真测量结果各不相同(图3与图4)。对电路布局的高频电流环路进行分析将有助于阐明这些二次谐波失真的差异(图5)。
  图 3 表示的是较差的情况,电源位于印制电路板的背面,意味着旁路电容器要由通孔(从印制电路板的一层到另一层的通孔)连接到电源。这些通孔会增加高频电流回路的电感。当放大器吸收电流时,该电流通过一个实心地层返回到C2和C4。然而,当放大器提供电流时,该电流在返回C1和C3以前,要通过两组感性通孔。
  
  
  在高频情况下,这些电感可以增加相当大的阻抗。当高频电流通过这些阻抗时,就会产生误差电压。由于高频电流是半波整流的,误差电压也是半波整流的。经半波整流的信号携带有大量的奇次谐波成份,会引起二次谐波失真,而三次谐波则保持不变。
  图 4 则相反,它是一种改进的布局,电源在电路板正面旁路,所以旁路电容器不需要使用通孔。另外,负载接地靠近两个去耦网络,所以,在放大器提供和吸收高频电流的通道上也无需通孔。这种经改进的印制电路板布局方法将二次谐波失真指标改善了3dBc 至18dBc。并且这种改善适用于各种频率。
  
  
  差分旁路
  旁路方法对避免接地问题很有用。可以对图1进行修改,使一组旁路电容器(C1和C3)跨接在电源上,而另一组旁路电容器(C2和C4)仍然连接在电源与接地之间。
  这种结构可以方便地在印制电路板上实现旁路电容器与负载的真正接地。负载与旁路电容器的完全接地可以将两接地点之间的电感减少到最低程度,因而减小了高频地电流形成的误差电压。另外,高频电流在返回负载或进入负载前就整合起来,就不会出现标准旁路情况下的半波整流问题,也就几乎不包含奇次谐波成份。因此,电流通道中产生的误差电压不会增大失真。
  将这一技术应用于一个旁路不良的电路布局(图 6)中,能够显着地改善失真。要记住旁路电容器走线应尽量短,尽量不使用通孔。必须用通孔时,应牢记两个并行通孔的电感只有单一通孔电感的一半。当增加通孔直径时,通孔的电感量也会减小。当需要反馈网络接地时,而闭环增益大于 1的情况下,这种方法已证明特别有用。在这样的情况下,反馈网络是放大器负载的有效部分。流经反馈网络的高频电流也通过旁路电容器返回电源。所以,还需要确定反馈网络的接地方式,使旁路电容器增加的电感量达到最小。
  
  
  负载接地电流效应
  在上面的例子中,我们讨论了不良旁路接地位置对谐波失真的影响。高频电流通路的评测显示,负载接地对布局也有影响。对长的负载电流返回通路,100Ω 负载包括一个49.9Ω 的反向端接电阻器和一个 50Ω的电阻器(图 7)。50Ω 电阻器是用于测量的频谱分析仪的输入阻抗。传输线是约一英寸长的50Ω印制电路板走线,再串接6英寸长的高质量50Ω同轴电缆。提供和吸收的高频电流必须经过一个长长的感性回路,包括100Ω负载、多个旁路电容器、传输线,以及放大器的输出级。
  为缩短负载电流的返回通路,用一个976Ω电阻器替换49.9Ω电阻器,在其左侧用一个114Ω电阻器接地,在右侧用一个52.3Ω电阻器接地。对放大器来说,这一电路可实现相同的100Ω有效负载,并且到频谱分析仪50Ω 端接处仍然存在一条长通路。然而,由于有了114Ω电阻器,现在大部分负载电流有一个至旁路电容器的短返通路。这个短返通路的电感比前例中的长返通路要小得多。当高频电流流经这些回路时,较小的电感产生的误差电压也较低。尽管这种结构不能用于驱动反向端接线路,但它仍然优化了放大器驱动重负载(例如低噪声电路结构中的低阻抗反馈网路)的能力。
  对这两种负载电流返回通路的二次谐波失真进行比较,可以看到,负载电流的长返回通路增加了高频电流回路的尺寸(图 8)。由于回路较长,因此有更大电感量。通过旁路电容器出入负载的高频半波整流电流会产生误差电压。由于这些误差电压是半波整流的,因此会影响到二次谐波失真指标。本例显示出保持高频电流通路尽量短的重要性,方法是不要在远离放大器的地方将负载接地。
  不幸的是,用户很难改变放大器的管脚引出位置,管脚位置也可以对失真造成重大影响。造成问题的原因是,在一个标准的 SO-8 封装上,负电源管脚正挨着放大器的非反相输入端(图 9)。当电流流入放大器时,会从负电源流出。这个电流(dLS)产生一个磁场 B,把负电源管脚耦合至非反相输入端。这两个管脚的耦合可在非反相输入端产生误差电流(dIIP)。
  根据楞次(Lenz)定律,磁场产生的电流方向与磁场方向相反。这个误差电流会产生一个误差电压,它出现在每个周期的一半中,因为 -VS 只在一半时间里提供负载电流。因此,输入电压会产生一种不对称,导致偶次谐波失真加重。有些放大器会可旋转引出脚,将负电源与非反相输入端分开(图10)。
  
  当电路驱动一个低阻抗负载时,用户更容易看到封装管脚对失真的影响。这是因为流过的电流较大,因此使 dIS也较大(图11)。增加系统的闭环增益会使输出端误差更大,但也不会递增失真,因为闭环增益的减小早已造成了失真恶化问题。
 

微信扫描二维码咨询