PCB Tecnico - Amplificatore e capacità di progettazione del circuito filtrante video

Nella cassetta degli attrezzi di qualsiasi progettista di circuiti stampati, l'amplificatore a circuito integrato è uno dei moduli componenti più basilari ed è uno dei prodotti più versatili sul mercato. L'amplificatore ha molteplici funzioni, come guidare ADC, guidare carichi video multipli, agire come video o altri tipi di filtri, guidare segnali strumenti ad alta velocità, ecc. Possono anche essere utilizzati come oscillatori, ma possono diventare un problema in alcune applicazioni pratiche, perché l'amplificatore dovrebbe oscillare solo quando il progettista ne ha bisogno. Se il circuito stampato non è progettato correttamente, l'amplificatore farà le sue cose e oscillerà a piacimento. Quindi, cosa dovrebbero fare i progettisti per evitare questa oscillazione dannosa? Ricordiamo ciò che abbiamo imparato nel corso di elettronica prima, cioè, l'oscillazione è correlata alla capacità, all'induttanza e al feedback. Pertanto, la chiave è progettare attentamente il circuito stampato per garantire che eventuali percorsi di feedback capacitivi e induttivi estranei siano ridotti o eliminati. Questo articolo proporrà 13 linee guida di progettazione del layout.

I circuiti stampati, i carichi (specialmente i carichi capacitivi) e/o il design del layout portano capacità e induttanza invisibili. Inoltre, la corrente che scorre nei condensatori di bypass intorno al circuito stampato può creare percorsi diversi, con conseguente distorsione. Pertanto, alcune tecnologie che sostengono di ridurre la distorsione sono in realtà controproducenti e vanno contro le regole di progettazione per evitare oscillazioni. (Il lavoro di un progettista non è mai facile, ed è vero.) Quindi, quando si progetta il layout di un amplificatore o di un filtro video, al fine di mantenere l'equilibrio globale e ridurre la distorsione e l'oscillazione, che cosa è importante prendere in considerazione?

Prima guardate l'oscillatore. Quando l'amplificatore viene utilizzato per guidare direttamente un carico capacitivo, il carico avrà un ritardo di fase con l'impedenza di uscita dell'amplificatore e il ritardo di fase causerà picchi di impulso o oscillazioni. Alcuni amplificatori possono pilotare direttamente carichi capacitivi, ma alcuni amplificatori devono aggiungere una resistenza di piccola serie (R) all'uscita dell'amplificatore per migliorare la stabilità e le prestazioni del tempo di assestamento dell'amplificatore.

Gli amplificatori ad alta frequenza sono facilmente influenzati dalla distorsione causata dal layout del circuito. Anche gli amplificatori a bassa frequenza, come gli amplificatori audio, hanno requisiti di distorsione molto severi. La distorsione (THD) è il principale indicatore della qualità audio. Pertanto, ridurre la distorsione causata dal layout è fondamentale.

La regola principale della progettazione di layout PCB ad alta frequenza è quella di posizionare il condensatore di bypass ad alta frequenza il più vicino possibile al perno di alimentazione del pacchetto. Tuttavia, gli esperimenti hanno dimostrato che estendere leggermente le tracce di connessione dei condensatori bypass ad alta frequenza può migliorare la planarità e il guadagno differenziale, riducendo così la distorsione. Le regole di progettazione sono ovviamente vantaggiose, e l'esperienza sperimentale del progettista è anche molto utile per garantire che le regole siano coerenti con la realtà.

Quando si progetta un driver filtro video sul circuito stampato, è molto importante che il condensatore di accoppiamento di ingresso e la resistenza di terminazione debbano essere posizionati vicino ai pin di ingresso per ottenere la migliore integrità del segnale. La figura 3 mostra una configurazione tipica dell'ingresso dell'accoppiamento CA di un filtro/driver video. In questa configurazione, i condensatori ceramici 0.1uF sono utilizzati per accoppiare CA il segnale di ingresso. Se il segnale di ingresso non è inferiore al potenziale di terra, il circuito del morsetto non inizierà; ma se il segnale di ingresso è inferiore al potenziale di terra, il circuito a morsetto imposterà la tensione più bassa del terminale di sincronizzazione appena inferiore al potenziale di terra. Il livello di ingresso impostato dal circuito a morsetto, combinato con l'offset DC interno, manterrà il segnale in uscita entro un intervallo accettabile, circa 250mV.

Per ottenere la massima qualità del segnale di uscita, la resistenza di terminazione di serie deve essere posizionata il più vicino possibile al pin di uscita del componente. Ciò ridurrà notevolmente l'influenza della capacità parassitaria e dell'induttanza parassitaria sull'uscita del driver.

13 regole di progettazione del circuito:

1) RTM (leggere attentamente il manuale del prodotto). La scheda tecnica dell'amplificatore presenta generalmente i requisiti minimi di guadagno stabile. Questo indice è molto importante. Se il guadagno operativo dell'amplificatore è inferiore al guadagno stabile minimo raccomandato, può verificarsi un'oscillazione.

2) Utilizzare un piano di terra. Questo è il modo migliore per fornire un collegamento a terra a basso induttivo per il componente.

3) Rimuovere il piano di terra sotto e intorno all'amplificatore e rimuovere il piano di terra vicino al perno di rilevamento. Rimuovere il piano di terra vicino ai pin di ingresso e uscita dell'amplificatore ad alta velocità per ridurre la capacità vagante. Allo stesso modo, è utile rimuovere il piano di terra sotto e intorno all'amplificatore.

4) Utilizzare componenti di montaggio superficiale. L'induttanza del perno di questo tipo di componente è molto piccola.

5) Mantenere la lunghezza del perno il più breve possibile. L'accorciamento della lunghezza del perno può ridurre l'induttanza di serie all'ingresso invertinte dell'amplificatore.

6) Evitare di utilizzare slot. Evitare di utilizzare prese o utilizzare al massimo il montaggio a filo per ridurre l'induttanza.

Utilizzare il valore raccomandato di resistenza al feedback. Questo è molto importante quando si utilizzano amplificatori di feedback corrente.

8) Non utilizzare componenti non lineari (come condensatori) nel ciclo di feedback diretto dell'amplificatore.

9) Un resistore di feedback è usato per raggiungere la configurazione del guadagno di unità. Non utilizzare circuiti di follower di tensione standard.

10) Utilizzare condensatori bypass. L'aggiunta di un condensatore bypass a ciascun alimentatore può aiutare a ridurre l'impedenza del percorso della corrente di ritorno ai pin dell'alimentazione elettrica, migliorare la capacità di soppressione del rumore dell'alimentazione elettrica ed eseguire il filtraggio ad alta frequenza sul cablaggio dell'alimentazione elettrica. La maggior parte dei produttori consiglia l'uso di condensatori Tan 6.8uF e condensatori ceramici 0.1uF. Per le migliori prestazioni, i condensatori dovrebbero essere posizionati in conformità con le seguenti regole: i condensatori 6.8uF non dovrebbero superare 0,75 pollici dai pin dell'alimentazione elettrica e i condensatori 0.1uF non dovrebbero superare 0,1 pollici dai pin dell'alimentazione elettrica. Quando la distanza tra i due aumenta, l'effetto filtrante del condensatore diminuisce a causa dell'aumento dell'induttanza del cablaggio. Tuttavia, anche questo deve essere valutato con considerazioni di distorsione, perché i risultati sperimentali mostrano che una distanza un po 'più lunga migliorerà le prestazioni di distorsione.

11) Regolare il condensatore bypass per ridurre la distorsione. Quando un singolo amplificatore operativo produce distorsioni dovute al percorso della corrente di massa, l'elemento bypass può essere regolato per regolare la corrente di massa per tenerlo lontano dall'elemento di ingresso. Questo è molto semplice, basta regolare il condensatore bypass per mantenere la sua connessione a terra lontano dall'ingresso.

12) Per i filtri video, posizionare la resistenza di terminazione di serie vicino al pin di uscita. In questo modo si può ridurre al minimo l'impatto della capacità parassitaria sul driver di uscita del filtro, evitando così oscillazioni all'uscita.

13) Posizionare il condensatore di accoppiamento di ingresso e la resistenza di terminazione vicino ai pin di ingresso per ottenere la migliore integrità del segnale.

Il layout del circuito ha una grande influenza sulle prestazioni del sistema. Pertanto, nella fase di progettazione del layout, dovrebbe essere attentamente monitorato per evitare errori.