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从实践角度探讨高速PCB设计的布线问题(中)

发布时间 :2017-10-27 10:44 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCB设计部
寄生效应
  所谓寄生效应就是那些溜进你的PCB并在电路中大施破坏、头痛令人、原因不明的小故障(按照字面意思)。它们就是渗入高速电路中隐藏的寄生电容和寄生电感。 其中包括由封装引脚和印制线过长形成的寄生电感;焊盘到地、焊盘到电源平面和焊盘到印制线之间形成的寄生电容;通孔之间的相互影响,以及许多其它可能的寄 生效应。图3(a)示出了一个典型的同相运算放大器原理图。但是,如果考虑寄生效应的话,同样的电路可能会变成图3(b)那样。
  
图3. 典型的运算放大器电路,(a)原设计图
  
图3. 典型的运算放大器电路,(b)考虑寄生效应后的图
图3. 典型的运算放大器电路,(a)原设计图,(b)考虑寄生效应后的图。
 
  在高速电路中,很小的值就会影响电路的性能。有时候几十个皮法(pF)的电容就足够了。相关实例:如果在反相输入端仅有1 pF的附加寄生电容,它在频率域可以引起差不多2 dB的尖脉冲(见图4)。如果寄生电容足够大的话,它会引起电路的不稳定和振荡。
  
图4. 由寄生电容引起的附加尖脉冲
图4. 由寄生电容引起的附加尖脉冲
 
  当寻找有问题的寄生源时,可能用得着几个计算上述那些寄生电容尺寸的基本公式。公式(1)是计算平行极板电容器(见图5)的公式。
  
公式(1)是计算平行极板电容器(见图5)的公式
 
  C表示电容值,A表示以cm2为单位的极板面积,k表示PCB材料的相对介电常数,d表示以cm为单位的极板间距离。
  
图5. 两极板间的电容
图5. 两极板间的电容
 
  带状电感是另外一种需要考虑的寄生效应,它是由于印制线过长或缺乏接地平面引起的。式(2)示出了计算印制线电感(Inductance)的公式。参见图6。
  
式(2)示出了计算印制线电感(Inductance)的公式
 
  W表示印制线宽度,L表示印制线长度,H表示印制线的厚度。全部尺寸都以mm为单位。
  
图6. 印制线电感
图6. 印制线电感
 
  图7中的振荡示出了高速运算放大器同相输入端长度为2.54 cm的印制线的影响。其等效寄生电感为29 nH(10-9H),足以造成持续的低压振荡,会持续到整个瞬态响应周期。图7还示出了如何利用接地平面来减小寄生电感的影响。
  
图7. 有接地平面和没有接地平面的脉冲响应
图7. 有接地平面和没有接地平面的脉冲响应
 
  通孔是另外一种寄生源;它们能引起寄生电感和寄生电容。公式(3)是计算寄生电感的公式(参见图8)。
  
公式(3)是计算寄生电感的公式
 
  T表示PCB的厚度,d表示以cm为单位的通孔直径。
  
图8. 通孔尺寸
图8. 通孔尺寸
 
公式(4)示出了如何计算通孔(参见图8)引起的寄生电容值。
公式(4)示出了如何计算通孔(参见图8)引起的寄生电容值
 
  εr 表示PCB材料的相对磁导率。T表示PCB的厚度。D1表示环绕通孔的焊盘直径。D2表示接地平面中隔离孔的直径。所有尺寸均以cm为单位。在一块 0.157 cm厚的PCB上一个通孔就可以增加1.2 nH的寄生电感和0.5 pF的寄生电容;这就是为什么在给PCB设计布线时一定要时刻保持戒备的原因,要将寄生效应的影响降至最小。
 
接地平面
  实际上需要讨论的内容远不止本文提到的这些,但是我们会重点突出一些关键特性并鼓励读者进一步探讨这个题。本文的最后列出有关的参考文献。
  接地平面起到公共基准电压的作用,提供屏蔽,能够散热和减小寄生电感(但它也会增加寄生电容)的功能。虽然使用接地平面有许多好处,但是在实现时也必须小心,因为它对能够做的和不能够做的都有一些限制。
  理想情况下,PCB有一层应该专门用作接地平面。这样当整个平面不被破坏时才会产生最好的结果。千万不要挪用此专用层中接地平面的区域用于连接其它信号。由于接地平面可以消除导体和接地平面之间的磁场,所以可以减小印制线电感。如果破坏接地平面的某个区域,会给接地平面上面或下面的印制线引入意想不到的寄生电感。
  因为接地平面通常具有很大的表面积和横截面积,所以使接地平面的电阻保持最小值。在低频段,电流会选择电阻最小的路径,但是在高频段,电流会选择阻抗最小的路径。
  然而也有例外,有时候小的接地平面会更好。如果将接地平面从输入或者输出焊盘下挪开,高速运算放大器会更好地工作。因为在输入端的接地平面引入的寄生电容, 增加了运算放大器的输入电容,减小了相位裕量,从而造成不稳定性。正如在寄生效应一节的讨论中所看到的,运算放大器输入端1 pF的电容能引起很明显的尖脉冲。输出端的容性负载——包括寄生的容性负载——造成了反馈环路中的极点。这会降低相位裕量并造成电路变得不稳定。
  如果有可能的话,模拟电路和数字电路——包括各自的地和接地平面——应该分开。快速的上升沿会造成电流毛刺流入接地平面。这些快速的电流毛刺引起的噪声会破坏模拟性能。模拟地和数字地(以及电源)应该被连接到一个共用的接地点以便降低循环流动的数字和模拟接地电流和噪声。
  在高频段,必须考虑一种称为“趋肤效应”的现象。趋肤效应会引起电流流向导线的外表面——结果会使得导线的横截面变窄,因此使直流(DC)电阻增大。虽然趋 肤效应超出了本文讨论的范围,这里还是给出铜线中趋肤深度(Skin Depth)的一个很好的近似公式(以cm为单位):
  
低灵敏度的电镀金属有助于减小趋肤效应
低灵敏度的电镀金属有助于减小趋肤效应。


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