PCB科技 - 放大器和視頻濾波器電路板設計技巧

在任何電路板設計師的工具箱中，集成電路放大器是最基本的組件模塊之一，也是市場上最通用的產品之一。 放大器具有多種功能，如驅動ADC、驅動多個視頻負載、充當視頻或其他類型的濾波器、驅動高速儀器訊號等。它們也可以用作振盪器，但在一些實際應用中可能會成為一個問題，因為放大器只應在設計者需要時振盪。如果電路板設計不正確， 放大器將做自己的事情，並隨意振盪。 那麼，設計師應該做些什麼來避免這種有害的振盪呢？ 回想一下我們之前在電子學課程中學到的，即振盪與電容、電感和迴響有關。 囙此，關鍵是仔細設計電路板，以確保减少或消除任何無關的電容和電感迴響路徑。 本文將提出13條佈局設計指南。

電路板、負載（尤其是電容性負載）和/或佈局設計都帶來了不可見的電容和電感。 此外，流入電路板周圍的旁路電容器的電流可能會產生不同的路徑，從而導致失真。 囙此，一些聲稱可以减少失真的科技實際上適得其反，與避免振盪的設計規則背道而馳。 （設計師的工作從來都不是一件容易的事，這是真的。）那麼，在設計放大器或視頻濾波器的佈局時，為了保持全域平衡，减少失真和振盪，需要考慮什麼？

首先看振盪器。 當放大器用於直接驅動電容性負載時，負載將與放大器的輸出阻抗具有相位滯後，並且相位滯後將導致脈衝尖峰或振盪。 有些放大器可以直接驅動電容性負載，但有些放大器需要在放大器的輸出端新增一個小的串聯電阻（Rs），以提高放大器的穩定性和穩定時間效能。

高頻放大器很容易受到電路佈局引起的失真的影響。 即使是低頻放大器，如音訊放大器，也有非常嚴格的失真要求。 失真（THD）是音訊質量的主要指標。 囙此，减少佈局造成的失真至關重要。

高頻PCB佈局設計的主要規則是將高頻旁路電容器盡可能靠近封裝的電源引脚。 然而，實驗表明，略微延長高頻旁路電容器的連接跡線可以提高平坦度和差分增益，從而减少失真。 設計規則當然是有益的，設計師的實驗經驗也非常有用，可以確保規則與現實相一致。

在電路板上設計視頻濾波器驅動器時，輸入耦合電容器和端接電阻器應靠近輸入引脚，以獲得最佳的信號完整性，這一點非常重要。 圖3顯示了視頻濾波器/驅動器的典型交流耦合輸入配寘。 在這種配寘中，0.1uF陶瓷電容器用於交流耦合輸入信號。 如果輸入信號不低於地電位，箝比特電路將不會啟動； 但是如果輸入信號低於地電位，則箝比特電路將同步端子的最低電壓設定為剛好低於地電位。 箝比特電路設定的輸入電平與內部直流偏移相結合，將使輸出信號保持在可接受的範圍內，約為250mV。

為了獲得最高的輸出信號質量，串聯端接電阻器必須盡可能靠近組件的輸出引脚。 這將大大减少寄生電容和寄生電感對驅動器輸出的影響。

13電路板設計規則：

1）RTM（仔細閱讀產品手册）。 放大器的資料表通常提出其最低穩定增益要求。 這個指數非常重要。 如果放大器的工作增益小於推薦的最小穩定增益，則可能發生振盪。

2）使用地平面。 這是為部件提供低電感接地連接的最佳管道。

3）拆下放大器下方和周圍的接地平面，並拆下感應引脚附近的接地。 拆除高速放大器輸入和輸出引脚附近的接地平面，以减少雜散電容。 同樣，移除放大器下方和周圍的接地平面也很有幫助。

4）使用表面安裝組件。 這種類型的元件的引脚電感非常小。

5）保持銷的長度盡可能短。 縮短引脚長度可以减少放大器反相輸入端的串聯電感。

6）避免使用插槽。 避免使用插座，或最多使用嵌入式安裝，以减少電感。

7使用推薦的迴響電阻值。 當使用電流迴響放大器時，這一點非常重要。

8）請勿在放大器的直接迴響回路中使用非線性元件（如電容器）。

9）迴響電阻器用於實現組織增益配寘。 不要使用標準電壓跟隨器電路。

10）使用旁路電容器。 在每個電源上添加一個旁路電容器可以幫助降低電源引脚處的回流路徑阻抗，提高電源雜訊抑制能力，並對電源佈線進行高頻濾波。 大多數製造商建議使用6.8uF Tan電容器和0.1uF陶瓷電容器。 為了獲得最佳效能，電容器的放置應符合以下規則：6.8uF電容器與電源引脚之間的距離不應超過0.75英寸，0.1uF電容機與電源引脚的距離不可超過0.1英寸。 當兩者之間的距離新增時，由於佈線電感的新增，電容器的濾波效果降低。 然而，這也需要與失真因素進行權衡，因為實驗結果表明，該距離稍長一點將提高失真效能。

11）調整旁路電容器以减少失真。 當單個運算放大器由於接地電流路徑而產生失真時，可以調整旁路元件以調整接地電流，使其遠離輸入元件。 這很簡單，只需調整旁路電容器，使其接地連接遠離輸入即可。

12）對於視頻濾波器，將串聯端接電阻器靠近輸出引脚。 這樣做可以最大限度地减少寄生電容對濾波器輸出驅動器的影響，從而避免輸出端的振盪。

13）將輸入耦合電容器和端接電阻器靠近輸入引脚，以獲得最佳信號完整性。

電路板佈局對系統性能有很大影響。 囙此，在佈局設計階段，應仔細監控，避免出現錯誤。