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放大器和視頻濾波器電路板的設(shè)計(jì)技巧
在任何一個(gè)設(shè)計(jì)人員的工具箱里，集成電路放大器都是zui基本的構(gòu)件模塊之一，它也是目前市面上zui的產(chǎn)品之一。放大器具有多項(xiàng)功能，比如驅(qū)動(dòng)ADC，驅(qū)動(dòng)多個(gè)視頻負(fù)載，作為視頻或其他類型濾波器而工作，驅(qū)動(dòng)高速儀器信號等等。它們還可以作為振蕩器。不過，實(shí)際中這種方案存在一些問題。因?yàn)榉糯笃鲬?yīng)該只在設(shè)計(jì)人員需要的時(shí)候才振蕩，而如果電路板設(shè)計(jì)不正確，放大器卻會(huì)自行其是，隨意振蕩。那么，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該如何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(xué)過的知識，即振蕩與電容、電感和反饋相關(guān)。因此，關(guān)鍵在于精心設(shè)計(jì)電路板，減少或消除任何無關(guān)的電容性和電感性反饋路徑。對于較高速的放大器(大于50MHz)而言，這尤其重要。
電路板、負(fù)載(尤其是電容性負(fù)載)和/或版圖設(shè)計(jì)，都會(huì)引入無形的電容和電感。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，從而導(dǎo)致失真。因此，有些號稱減少失真的技術(shù)其實(shí)是適得其反，與避免振蕩的設(shè)計(jì)規(guī)則背道而馳。那么，在進(jìn)行放大器或視頻濾波器的版圖設(shè)計(jì)時(shí)，為了保持全局平衡，減少失真和振蕩，需要考慮到哪些事項(xiàng)呢？
首先我們來看看振蕩器，在利用放大器直接驅(qū)動(dòng)電容性負(fù)載時(shí)，負(fù)載會(huì)與放大器的輸出阻抗會(huì)產(chǎn)生相位滯后，而相位滯后將導(dǎo)致脈沖尖峰或振蕩。有些放大器能夠直接驅(qū)動(dòng)電容性負(fù)載，但有些放大器則需要在放大器的輸出端增加一個(gè)小串聯(lián)電阻(Rs)來提高放大器的穩(wěn)定性和建立時(shí)間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(yán)格的失真要求。總諧波失真(THD)是音頻質(zhì)量的主要指標(biāo)，因此，減少版圖引起的失真十分關(guān)鍵。
失真的一個(gè)重要原因是PCB中的接地電流效應(yīng)。這種效應(yīng)來自于流入每個(gè)電源和各電源旁路電容的電流，該電流與路徑的電導(dǎo)率成比例。各個(gè)路徑都存在不同的傳導(dǎo)性，從而導(dǎo)致失真。因?yàn)榧词筆CB本身的材料是線性的，電路板的行為也會(huì)表現(xiàn)出“空間非線性”特性。這是因?yàn)榕月冯娙莘植荚陔娐钒宓牟煌恢?，?dǎo)致接地電流沿不同的路徑流入各個(gè)旁路電容。路徑不同導(dǎo)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(huì)。結(jié)果是輸入信號電壓被不均衡地調(diào)整，導(dǎo)致非線性的產(chǎn)生。在這種情況下，如果一個(gè)極性被調(diào)節(jié)，而另一個(gè)卻沒有，就會(huì)造成二次諧波失真。換一句話說，如果只有正弦波的一個(gè)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(shè)計(jì)人員可以使用共有接地點(diǎn)并在輸出端采用接地旁路電容。
高頻電路板版圖設(shè)計(jì)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，經(jīng)驗(yàn)證明，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(shè)計(jì)規(guī)則當(dāng)然有益，而設(shè)計(jì)人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也十分有用，可以確保規(guī)則與實(shí)際的一致性。
在電路板上設(shè)計(jì)視頻濾波驅(qū)動(dòng)器時(shí)，很重要的一點(diǎn)是，應(yīng)該把輸入耦合電容和端接電阻靠近輸入引腳放置，以獲得*信號完整性。圖3所示為視頻濾波器/驅(qū)動(dòng)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(jìn)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(huì)把同步端zui低電壓設(shè)置為恰好低于接地電位。鉗位電路設(shè)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(dòng)直流耦合輸入。
為了獲得zui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(dòng)器輸出的影響。從器件引腳到串聯(lián)端接電阻的距離不應(yīng)該超過0.5英寸(見圖4)。圖5是作為多媒體設(shè)備中作為輸出驅(qū)動(dòng)器的視頻濾波器/驅(qū)動(dòng)器的典型原理示意圖。在圖5所示的情況下，多媒體設(shè)備的復(fù)合視頻信號端子接多媒體設(shè)備，S視頻輸出端子開通。在這時(shí)，讓串聯(lián)端接電阻靠近器件的輸出引腳非常關(guān)鍵，可以把寄生電容對濾波器輸出驅(qū)動(dòng)器的影響降至zui小，從而避免輸出端出現(xiàn)振蕩。圖6所示為飛兆半導(dǎo)體的FMS6346A視頻濾波驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)25pF 的負(fù)載，圖7所示為FMS6346A驅(qū)動(dòng)47pF的電容性負(fù)載。這表明，電容越小，性能越好。