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功率技術/新能源  

放大器和視訊濾波器電路板設計技巧

上網時間: 2011年05月04日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:放大器  視訊處理  ADC  濾波器  電路板設計 

在任何一個設計人員的工具箱裡,積體電路放大器都是最基本的構件模組之一,它是目前市面上最全能的產品之一。放大器具有多項功能,如驅動ADC,驅動多個視訊負載,作為視訊或其它類型濾波器,驅動高速儀器訊號等。它們還可以作為振盪器,不過,在某些實際應用中卻會成為一個問題,因為放大器應該只在設計人員需要的時候才振盪。而如果電路板設計不正確,放大器卻會自行其是,隨意振盪。那麼,設計人員應該怎麼做才能避免這種有害的振盪呢?試回憶一下我們以前在電子課程裡學過的知識,即振盪與電容、電感和回饋相關。因此,關鍵在於精心設計電路板,確保減少或消除任何無關的電容性和電感性回饋路徑。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),以及/或佈局設計,都會帶來無形的電容和電感。此外,流入電路板各處旁路電容的電流可能產生不同的路徑,導致失真。因此,有些號稱減少失真的技術其實是適得其反,與避免振盪的設計規則背道而馳。(設計人員的工作從來非易事,的確如此)那麼,在進行放大器或視訊濾波器的佈局設計時,為了保持全域平衡,減少失真和振盪,需要考慮到哪些事項呢?

圖1
圖1:

首先看看振盪器,在利用放大器直接驅動電容性負載時,負載會與放大器的輸出阻抗會產生相位滯後,而相位滯後將導致脈衝尖峰或振盪。有些放大器能夠直接驅動電容性負載,但有些放大器則需要在放大器的輸出端增加一個小串聯電阻(Rs)來提高放大器的穩定性和設立時間(settling time)性能。

圖2為驅動傳輸電纜(如同軸電纜)的典型電路配置圖。電阻Rs和RL應該等於電纜的特徵阻抗(Zo),而電容C應該可被用來在更大的頻率範圍對電纜進行匹配,以對隨頻率提高而增加的放大器輸出阻抗進行補償。

圖2:驅動電纜或傳輸線的典型電路圖
圖2:驅動電纜或傳輸線的典型電路圖。

高頻放大器很容易受電路佈局所致失真的影響,即使是低頻放大器,比如音訊放大器,也具有非常嚴格的失真要求。失真(THD)是音訊品質的主要指標,因此,減少佈局引起的失真十分關鍵。

高頻電路板佈局設計主要規則是使高頻旁路電容盡可能靠近封裝的電源接腳。不過,實驗顯示,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,因而減少失真。設計規則當然有益,而設計人員的實驗經驗也十分有用,可以確保規則與實際的一致性。

在電路板上設計視訊濾波驅動器時,很重要的一點是,應該把輸入耦合電容和端接電阻靠近輸入接腳放置,以獲得最佳訊號完整性。圖3所示為視訊濾波器/驅動器的一種典型AC耦合輸入配置。在這種配置中,採用0.1uF陶瓷電容來對輸入訊號進行AC耦合。如果輸入訊號不低於接地電位,鉗位電路不啟動;但若輸入訊號低於接地電位,則鉗位電路會把同步端最低電壓設置為恰好低於接地電位。鉗位電路設置的輸入電平,結合內部DC偏移量,將使輸出訊號保持在可接受的範圍之內,大約在250mV左右。

圖3:
圖3:

為了獲得最高的輸出訊號品質,串聯端接電阻必須盡可能靠近元件的輸出接腳放置。這將大幅減少寄生電容和寄生電感對驅動器輸出的影響。從元件接腳到串聯端接電阻的距離不應該超過0.5英吋(見圖4)。圖5是作為多媒體設備中作為輸出驅動器的視訊濾波器/驅動器的典型原理示意圖。在圖5所示的情況下,多媒體設備的複合視訊訊號端子接多媒體設備,S視訊輸出端子開通。在這時,讓串聯端接電阻靠近元件的輸出接腳非常關鍵,可以把寄生電容對濾波器輸出驅動器的影響降至最小,因而避免輸出端出現振盪。圖6所示為Fairchild半導體的FMS6346A視訊濾波驅動器驅動25pF的負載,圖7所示為FMS6346A驅動47pF的電容性負載。這顯示,電容越小,性能越好。

圖4:
圖4:

圖5:FMS6346A視訊濾波器輸出到S-視訊
圖5:FMS6346A視訊濾波器輸出到S-視訊

圖6:FMS6346A視訊濾波驅動器驅動25pF的負載。
圖6:FMS6346A視訊濾波驅動器驅動25pF的負載。

圖7:FMS6346A驅動47pF的電容性負載。
圖7:FMS6346A驅動47pF的電容性負載。

那麼,考慮到了電路佈局對性能的所有可能的影響,設計人員可以做些什麼來確保佈局避免振盪、失真和總體訊號品質低下呢?下面的基本佈局和旁路電容設計指南《設計規則13條(Lucky 13)》可能頗有裨益:

設計規則 13條

1) RTM(仔細閱讀產品手冊)。放大器的數據手冊一般都會提出其最小穩定增益要求。該指標至關重要,如果放大器的工作增益小於推薦的最小穩定增益,就可能產生振盪。

2)採用一個接地平面。這是為元件提供低感性接地連接的最好方法。

3) 去掉放大器下方和周圍的接地平面,去掉感應接腳附近的接地平面。去掉高速放大器輸入輸出接腳附近的接地平面,可以減少雜散電容。同樣,去掉放大器下面和周圍的接地平面也很有幫助。

4) 採用表面安裝元件。這類元件的接腳電感很小。

5) 盡可能縮短接腳長度。縮短接腳長度可以減少放大器反相輸入端的串聯電感。

6) 避免使用插槽。避免使用插槽,或者最多使用嵌入式插槽(flush-mount),以減少電感。

7採用推薦的回饋電阻值。在使用電流回饋放大器時,這一點十分重要。

8) 不要在放大器的直接反饋迴路中使用非線性元件(如電容)。

9) 採用一個回饋電阻來實現單位增益配置。而不要使用標準的電壓跟隨(voltage-follower)電路。

10) 使用旁路電容。在每個電源上增加一個旁路電容有助於降低電源接腳處的回流電流路徑阻抗,提高電源雜訊抑制能力,並對電源走線進行高頻過濾。大多數廠商都推薦使用6.8uF鉭電容和0.1uF陶瓷電容。為獲得最佳性能,應該按照以下規則放置電容:6.8uF電容距電源接腳不超過0.75英吋,0.1uF電容距電源接腳不超過0.1英吋。當兩者的距離增加時,由於走線電感增加,電容的濾波效果下降。不過,這也需要與失真考慮事項進行權衡,因為實驗結果顯示,該距離延長一點點會改善失真性能。

11) 調整旁路電容,減少失真。當單個運算放大器因接地電流路徑而產生失真時,可調整旁路元件,對接地電流進行調節,使其遠離輸入元件。這十分簡單,只需調整旁路電容,使它的接地連接遠離輸入即可。

12)對於視訊濾波器,使串聯端接電阻靠近輸出接腳放置。這樣做可以把寄生電容對濾波器輸出驅動器的影響減至最小,因而避免輸出端出現振盪。

13) 輸入耦合電容和端接電阻靠近輸入接腳放置,以獲得最佳訊號完整性。

電路板佈局對系統性能的影響非常大,因此,在佈局設計階段,應該謹慎監測,避免失誤。

圖8:一個單電源放大器示例。如果使用雙電源放大器,則只需在其它電源上增加相同的旁路電容即可。
圖8:一個單電源放大器示例。如果使用雙電源放大器,則只需在其它電源上增加相同的旁路電容即可。

作者:Bill Boldt,Allen Watkins

Fairchild公司訊號調節產品部





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