盡管印制電路板(PCB)布局在高速電路中起著至關(guān)重要的作用，但它往往是設(shè)計(jì)過(guò)程中的最后一步。高速PCB布局有很多方面;關(guān)于這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)寫(xiě)了好幾卷書(shū)。本文從實(shí)用的角度討論高速布局。主要目的是幫助新手在設(shè)計(jì)高速電路的電路板布局時(shí)了解他們需要解決的許多和各種考慮因素。但它也旨在為那些已經(jīng)離開(kāi)董事會(huì)布局一段時(shí)間的人提供復(fù)習(xí)。并非每個(gè)主題都可以在這里的可用空間中詳細(xì)介紹，但我們解決了在提高電路性能，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間和最大限度地減少耗時(shí)修改方面可以獲得最大回報(bào)的關(guān)鍵領(lǐng)域。

雖然重點(diǎn)是涉及高速運(yùn)算放大器的電路，但這里討論的主題和技術(shù)通常適用于大多數(shù)其他高速電路的布局。當(dāng)運(yùn)算放大器工作在高射頻頻率時(shí)，電路性能很大程度上取決于電路板布局。一個(gè)“紙面上”看起來(lái)不錯(cuò)的高性能電路設(shè)計(jì)可能會(huì)因?yàn)榇中幕虿萋实牟季侄鴮?dǎo)致性能平庸。在整個(gè)布局過(guò)程中，提前思考并注意重要細(xì)節(jié)將有助于確保電路按預(yù)期運(yùn)行。

的示意圖

雖然沒(méi)有保證，一個(gè)好的布局開(kāi)始于一個(gè)好的原理圖。在繪制原理圖時(shí)要考慮周到，要大方，要考慮電路中的信號(hào)流。從左到右具有自然而穩(wěn)定流動(dòng)的原理圖也往往在電路板上具有良好的流動(dòng)。把盡可能多的有用信息放在原理圖上。參與這項(xiàng)工作的設(shè)計(jì)師、技術(shù)人員和工程師將非常感激，包括我們;有時(shí)客戶(hù)會(huì)要求我們幫忙設(shè)計(jì)電路，因?yàn)樵O(shè)計(jì)師已經(jīng)不在了。

除了通常的參考指示符、功耗和公差之外，原理圖上還包含哪些信息?這里有一些建議，可以把一個(gè)普通的原理圖變成一個(gè)超級(jí)原理圖!添加波形，有關(guān)外殼或外殼的機(jī)械信息，跡線(xiàn)長(zhǎng)度，隔離區(qū)域;指定哪些組件需要放在電路板的頂部;包括調(diào)諧信息，元件值范圍，熱信息，控制阻抗線(xiàn)，注釋?zhuān)?jiǎn)短的電路操作描述…(列表還在繼續(xù))。

不要相信任何人

如果你不是自己做布局，一定要留出足夠的時(shí)間和布局人員一起完成設(shè)計(jì)。在這一點(diǎn)上，一盎司的預(yù)防勝過(guò)一磅的治療!不要指望設(shè)計(jì)人員能讀懂你的心思。在布局過(guò)程的開(kāi)始，你的輸入和指導(dǎo)是最關(guān)鍵的。你能提供的信息越多，你在整個(gè)布局過(guò)程中參與得越多，電路板就會(huì)越好。給設(shè)計(jì)人員一個(gè)臨時(shí)完成點(diǎn)——在這個(gè)點(diǎn)上你想要得到布局進(jìn)度的通知，以便快速查看。這種“閉環(huán)”可以防止布局偏離太遠(yuǎn)，并將最大限度地減少電路板布局的返工。

您對(duì)設(shè)計(jì)人員的說(shuō)明應(yīng)包括:對(duì)電路功能的簡(jiǎn)要描述;顯示輸入和輸出位置的電路板草圖;電路板堆疊(即電路板有多厚，有多少層，信號(hào)層和面的細(xì)節(jié)-電源，接地，數(shù)字和射頻);哪些信號(hào)需要在每一層;關(guān)鍵部件需要放置的位置;旁路元件的準(zhǔn)確位置;哪些痕跡是關(guān)鍵的;哪些線(xiàn)路需要控制阻抗線(xiàn);哪些行需要有匹配的長(zhǎng)度;組件的大小;哪些痕跡需要彼此遠(yuǎn)離(或靠近);哪些電路需要彼此遠(yuǎn)離(或靠近);哪些組件需要彼此靠近(或遠(yuǎn)離);哪些組件放在電路板的頂部和底部。你永遠(yuǎn)不會(huì)因?yàn)榻o別人太多信息——太少——而被抱怨;太多了，不。

學(xué)習(xí)經(jīng)歷:大約10年前，我設(shè)計(jì)了一個(gè)多層表面貼裝板——電路板兩側(cè)都有元件。電路板用許多螺釘擰入鍍金鋁外殼(因?yàn)閲?yán)格的振動(dòng)規(guī)范)。偏置饋通引腳刺穿電路板。引腳是用電線(xiàn)粘接在PCB上的。這是一個(gè)復(fù)雜的集會(huì)。板上的一些組件是SAT(設(shè)置在測(cè)試中)。但是我沒(méi)有指定這些分量應(yīng)該在哪里。你能猜出其中一些被放在哪里嗎?沒(méi)錯(cuò)!在黑板的底部。生產(chǎn)工程師和技術(shù)人員不太高興，因?yàn)樗麄儾坏貌话呀M件拆開(kāi)，設(shè)置值，然后重新組裝所有組件。我沒(méi)有再犯那樣的錯(cuò)誤。

位置，位置，位置

就像房地產(chǎn)一樣，位置就是一切。電路在電路板上的位置，單個(gè)電路元件的位置以及鄰近的其他電路都是至關(guān)重要的。

通常，輸入、輸出和電源位置是定義的，但它們之間的位置是“待定的”。在這種情況下，關(guān)注布局細(xì)節(jié)將產(chǎn)生顯著的回報(bào)。從單個(gè)電路和整個(gè)電路板的關(guān)鍵元件放置開(kāi)始。從一開(kāi)始就指定關(guān)鍵組件位置和信號(hào)路由路徑有助于確保設(shè)計(jì)按預(yù)期方式工作。第一次就做好可以降低成本和壓力，并縮短周期時(shí)間。

供電繞過(guò)

在放大器的供電端繞過(guò)電源以最小化噪聲是PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵方面-無(wú)論是高速運(yùn)放還是任何其他高速電路。有兩種常用的旁路高速運(yùn)放配置。

軌道接地:這種技術(shù)在大多數(shù)情況下效果最好，它使用多個(gè)并聯(lián)電容器從運(yùn)放的電源引腳直接連接到地。通常，兩個(gè)并聯(lián)電容器就足夠了，但有些電路可能需要額外的并聯(lián)電容器。

并聯(lián)不同的電容值有助于確保電源引腳在寬頻帶內(nèi)看到低交流阻抗。在運(yùn)算放大器電源抑制(PSR)下降的頻率下，這一點(diǎn)尤為重要。電容器有助于補(bǔ)償放大器的PSR下降。在幾十年的頻率范圍內(nèi)保持對(duì)地的低阻抗路徑將有助于確保不需要的噪聲不會(huì)進(jìn)入運(yùn)放。圖1顯示了多個(gè)并聯(lián)電容器的好處。在較低的頻率，較大的電容器提供一個(gè)低阻抗的路徑到地。一旦這些電容器達(dá)到自共振，電容質(zhì)量下降，電容器變成電感。這就是為什么使用多個(gè)電容器很重要的原因:當(dāng)一個(gè)電容器的頻率響應(yīng)下降時(shí)，另一個(gè)電容器變得重要，從而在幾十年的頻率內(nèi)保持低交流阻抗。

直接從運(yùn)放的電源引腳開(kāi)始;具有最小值和最小物理尺寸的電容器應(yīng)與運(yùn)放放置在電路板的同一側(cè)，并盡可能靠近放大器。電容器的接地側(cè)應(yīng)以最小的引線(xiàn)或走線(xiàn)長(zhǎng)度連接到接平面。這種接地連接應(yīng)盡可能靠近放大器的負(fù)載，以盡量減少軌道和地面之間的干擾。圖2演示了這種技術(shù)。

對(duì)于下一個(gè)更高值的電容器，應(yīng)重復(fù)此過(guò)程。一個(gè)好的起點(diǎn)是最小值為0.01μF，下一個(gè)電容器的電解液為2.2μF或更大，ESR低。0508外殼尺寸為0.01μF，具有低串聯(lián)電感和優(yōu)異的高頻性能。

軌對(duì)軌:在運(yùn)放的正負(fù)供電軌之間使用一個(gè)或多個(gè)旁路電容作為備用配置。這種方法通常在電路中難以獲得所有四個(gè)電容時(shí)使用。這種方法的缺點(diǎn)是電容器外殼尺寸可以變得更大，因?yàn)殡娙萜魃系碾妷菏菃坞娫磁月贩椒ǖ膬杀?。更高的電壓要求更高的擊穿額定值，這意味著更大的外殼尺寸。然而，這個(gè)選項(xiàng)可以提供PSR和失真性能的改進(jìn)。

由于每個(gè)電路和布局都不同;電容器的配置、數(shù)量和取值由實(shí)際電路要求決定。

寄生

寄生蟲(chóng)是那些討厭的小妖精，爬進(jìn)你的PCB(毫不夸張)，在你的電路中肆虐。它們是隱藏在高速電路中的雜散電容器和電感。它們包括由封裝引線(xiàn)和多余走線(xiàn)長(zhǎng)度形成的電感;板對(duì)地、板對(duì)電源平面和板對(duì)走線(xiàn)電容器;與過(guò)孔的交互，以及更多的可能性。圖3(a)是一個(gè)典型的非反相運(yùn)算放大器的原理圖。然而，如果考慮到寄生元件，相同的電路看起來(lái)像圖3(b)。

在高速電路中，對(duì)電路性能的影響并不大。有時(shí)只需要十分之一皮法拉就足夠了。例如:如果在反相輸入端只存在1pf的額外雜散寄生電容，則可能在頻域產(chǎn)生近2db的峰值(圖4)。如果存在足夠的電容，則可能導(dǎo)致不穩(wěn)定和振蕩。

在尋找有問(wèn)題的寄生蟲(chóng)的來(lái)源時(shí)，計(jì)算這些小妖精大小的幾個(gè)基本公式可以派上用場(chǎng)。公式1是并聯(lián)板電容器的公式(見(jiàn)圖5)。

（1）

C為電容，A為板的面積，單位為厘米(2)，k為板材料的相對(duì)介電常數(shù)，d為板間距離，單位為厘米。

條帶電感是另一種要考慮的寄生電感，它是由過(guò)長(zhǎng)的走線(xiàn)和缺乏接地面造成的。道電感公式如式2所示。參見(jiàn)圖6。

（2)

W為走線(xiàn)寬度，L為走線(xiàn)長(zhǎng)度，H為走線(xiàn)厚度。所有尺寸均以毫米為單位。

圖7中的振蕩顯示了高速運(yùn)放非反相輸入處2.54 cm走線(xiàn)長(zhǎng)度的影響。等效雜散電感為29 nH(納亨利)，足以在整個(gè)瞬態(tài)響應(yīng)期間引起持續(xù)的低水平振蕩。該圖還顯示了如何使用地平面來(lái)減輕雜散電感的影響。

過(guò)孔是寄生蟲(chóng)的另一個(gè)來(lái)源;它們可以同時(shí)引入電感和電容。式3為寄生電感公式(見(jiàn)圖8)。

（3）

T是板的厚度，d是通孔的直徑，單位是厘米。

公式4顯示了如何計(jì)算通孔的寄生電容(見(jiàn)圖8)。

（4）

ε(r)為板材的相對(duì)磁導(dǎo)率。T是板的厚度。D(1)為環(huán)繞通孔的襯墊直徑。D(2)為接平面間隙孔的直徑。所有尺寸都以厘米為單位。在0.157厘米厚的電路板上，單通孔可以增加1.2 nH的電感和0.5 pF的電容;這就是為什么在鋪設(shè)木板時(shí)，必須時(shí)刻保持警惕，以盡量減少寄生蟲(chóng)的滲透!

地平面

要討論的內(nèi)容比這里所能涵蓋的要多得多，但我們將重點(diǎn)介紹一些關(guān)鍵特性，并鼓勵(lì)讀者更詳細(xì)地了解這個(gè)主題。參考文獻(xiàn)列表出現(xiàn)在本文的末尾。

地平面作為公共參考電壓，提供屏蔽，使散熱，并減少雜散電感(但它也增加寄生電容)。雖然使用地平面有很多優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)現(xiàn)它時(shí)必須小心，因?yàn)樗茏鍪裁春筒荒茏鍪裁词怯邢拗频摹?/span>

理想情況下，PCB的一層應(yīng)該專(zhuān)門(mén)用作接地平面。最好的結(jié)果是整個(gè)飛機(jī)都完好無(wú)損。不要為了在這個(gè)專(zhuān)用層上路由其他信號(hào)而移除接地面的區(qū)域。地平面通過(guò)導(dǎo)體與地平面之間的磁場(chǎng)抵消來(lái)減小走線(xiàn)電感。當(dāng)去除了地平面區(qū)域時(shí)，意外的寄生電感可能會(huì)引入到地平面上方或下方的走線(xiàn)中。

因?yàn)榻拥孛嫱ǔ＞哂休^大的表面和截面積，所以在接地面上的電阻被保持到最小。在低頻時(shí)，電流走電阻最小的路徑，而在高頻時(shí)，電流走阻抗最小的路徑。

然而，也有例外，有時(shí)地平面越少越好。如果將地平面從輸入和輸出墊下移除，高速運(yùn)算放大器的性能會(huì)更好。輸入端的地平面引入的雜散電容，加上運(yùn)算放大器的輸入電容，降低了相位裕度，并可能導(dǎo)致不穩(wěn)定。從寄生討論中可以看出，運(yùn)算放大器輸入端1pf的電容會(huì)導(dǎo)致顯著的峰值。輸出端的電容性長(zhǎng)(包括雜散)會(huì)在反饋回路中產(chǎn)生一個(gè)極。這可以減少相位裕度，并可能導(dǎo)致電路變得不穩(wěn)定。

數(shù)字電路，包括接地和接地面，應(yīng)該盡可能分開(kāi)?？焖偕仙倪吘壴诘仄矫嫔袭a(chǎn)生電流尖峰。這些快速的電流峰值會(huì)產(chǎn)生噪聲，影響性能。數(shù)字接地(和電源)應(yīng)該綁在一個(gè)公共接地點(diǎn)，以盡量減少循環(huán)數(shù)字和接地電流和噪聲。

在高頻時(shí)，必須考慮一種叫做趨膚效應(yīng)的現(xiàn)象。趨膚效應(yīng)導(dǎo)致電流在導(dǎo)體的外表面流動(dòng)，實(shí)際上使導(dǎo)體變窄，從而增加其直流值的電阻。雖然趨膚效應(yīng)超出了本文的討論范圍，但銅的趨膚深度(以厘米為單位)的近似值是

（5）

不易受影響的電鍍金屬可以幫助減少皮膚效應(yīng)。

包裝

運(yùn)算放大器通常以各種封裝形式提供。所選擇的封裝會(huì)影響放大器的高頻性能。主要影響因素是寄生(前面提到過(guò))和信號(hào)路由。在這里，我們將重點(diǎn)介紹放大器的輸入、輸出和功率路由。

圖9展示了SOIC封裝(a)和SOT-23封裝的(b)中運(yùn)放的布局差異。每種封裝類(lèi)型都有自己的挑戰(zhàn)。專(zhuān)注于(a)，對(duì)反饋路徑的仔細(xì)檢查表明，有多種選擇可以路由反饋。保持跟蹤長(zhǎng)度短是至關(guān)重要的。反饋中的寄生電感會(huì)引起振鈴和超調(diào)。在圖9(a)和圖9(b)中，反饋路徑繞過(guò)放大器。圖9(c)顯示了另一種方法——在SOIC包下路由反饋路徑——它最小化了反饋路徑的長(zhǎng)度。每個(gè)選項(xiàng)都有細(xì)微的差別。第一種選擇可能導(dǎo)致多余的走線(xiàn)長(zhǎng)度，增加串聯(lián)電感。第二種選擇使用過(guò)孔，它可以引入寄生電容和電感。在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，必須考慮到這些寄生蟲(chóng)的影響和含義。SOT-23布局幾乎是理想的:最小的反饋跟蹤長(zhǎng)度和使用過(guò)孔;負(fù)載電容器和旁路電容器以短路徑返回到同一接地連接;正軌電容(如圖9(b)所示)位于電路板底部負(fù)軌電容的正下方。

低失真放大器引腳:在一些器件運(yùn)放(例如AD8045)中提供了一種新的低失真引腳，有助于消除上述兩個(gè)問(wèn)題;它還提高了另外兩個(gè)重要領(lǐng)域的性能。LFCSP的低失真引腳，如圖10所示，采用傳統(tǒng)運(yùn)放引腳，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)引腳，并添加第二個(gè)輸出引腳作為專(zhuān)用反饋引腳。

低失真引腳允許輸出(專(zhuān)用反饋引腳)和反相輸入之間的緊密連接，如圖11所示。這極大地簡(jiǎn)化了布局。

另一個(gè)好處是減少二次諧波失真。傳統(tǒng)運(yùn)放引腳配置中二次諧波失真的一個(gè)原因是非反相輸入和負(fù)電源引腳之間的耦合。LFCSP封裝的低失真引腳消除了這種耦合，大大降低了二次諧波失真;在某些情況下，降低幅度可達(dá)14 dB。圖12顯示了AD8099 SOIC和LFCSP封裝之間失真性能的差異。

這種封裝還有另一個(gè)優(yōu)勢(shì)——在功耗方面。LFCSP提供了一個(gè)外露的槳葉，降低了封裝的熱阻，并可以將西塔(JA)提高約40%。由于其較低的熱阻，設(shè)備運(yùn)行溫度較低，這意味著更高的可靠性

目前，有三款采用新型低失真引腳的Devices高速運(yùn)放:AD8045、AD8099和AD8000。

布線(xiàn)和屏蔽

電路板上存在各種各樣的高電壓和低電流的數(shù)字信號(hào)，范圍從直流到千兆赫。防止信號(hào)相互干擾是很困難的。

回想一下“不要相信任何人”的建議，提前思考并制定一個(gè)如何在董事會(huì)上處理信號(hào)的計(jì)劃是至關(guān)重要的。重要的是要注意哪些信號(hào)是敏感的，并確定必須采取哪些步驟來(lái)保持它們的完整性。地平面為電信號(hào)提供了一個(gè)共同的參考點(diǎn)，它們也可以用于屏蔽。當(dāng)需要信號(hào)隔離時(shí)，第一步應(yīng)該是在信號(hào)走線(xiàn)之間提供物理距離。以下是一些可以遵循的良好做法:

• 盡量減少長(zhǎng)時(shí)間的平行運(yùn)行和信號(hào)走線(xiàn)在同一板上的接近將減少電感耦合。

• 盡量減少相鄰層上的長(zhǎng)走線(xiàn)將防止電容耦合。

• 要求高度隔離的信號(hào)走線(xiàn)應(yīng)在單獨(dú)的層上布線(xiàn)，如果不能完全隔離，則應(yīng)相互正交，中間有接地面。正交布線(xiàn)將最大限度地減少電容耦合，并形成一個(gè)電屏蔽。這種技術(shù)被用于形成控制阻抗線(xiàn)。

高頻(RF)信號(hào)通常在控制阻抗線(xiàn)上運(yùn)行。也就是說(shuō)，走線(xiàn)保持一個(gè)特征阻抗，比如50歐姆(典型的射頻應(yīng)用)。兩種常見(jiàn)類(lèi)型的控制阻抗線(xiàn)，微帶線(xiàn)和帶狀線(xiàn)都可以產(chǎn)生類(lèi)似的結(jié)果，但有不同的實(shí)現(xiàn)。

如圖13所示，微帶控制阻抗線(xiàn)可以在電路板的兩側(cè)運(yùn)行;它使用緊挨著它的地平面作為參考平面。

式6可用于計(jì)算FR4板的特性阻抗。

（6）

H為地平面到信號(hào)走線(xiàn)的距離，W為走線(xiàn)寬度，T為走線(xiàn)厚度;所有尺寸均以密爾為單位(英寸× 10(-3))。ε(r)是PCB材料的介電常數(shù)。

帶狀線(xiàn)控制阻抗線(xiàn)(見(jiàn)圖14)使用兩層地平面，信號(hào)走線(xiàn)夾在它們之間。這種方法使用更多的走線(xiàn)，需要更多的電路板層，對(duì)介電厚度變化敏感，并且成本更高，因此通常僅用于要求苛刻的應(yīng)用中。

帶狀線(xiàn)的特性阻抗設(shè)計(jì)方程如式7所示。

（7）

保護(hù)環(huán)，或“保護(hù)”，是另一種常見(jiàn)類(lèi)型的屏蔽與運(yùn)放;它用于防止雜散電流進(jìn)入敏感節(jié)點(diǎn)。原理很簡(jiǎn)單——用保護(hù)導(dǎo)體完全環(huán)繞敏感節(jié)點(diǎn)，保護(hù)導(dǎo)體保持或驅(qū)動(dòng)到(低阻抗)與敏感節(jié)點(diǎn)相同的電位，從而使雜散電流遠(yuǎn)離敏感節(jié)點(diǎn)。圖15(a)顯示了反相和非反相運(yùn)放配置的保護(hù)環(huán)原理圖。圖15(b)顯示了SOT-23-5封裝中兩個(gè)保護(hù)環(huán)的典型實(shí)現(xiàn)。

屏蔽和布線(xiàn)還有許多其他選擇。我們鼓勵(lì)讀者閱讀下面的參考資料，以獲得關(guān)于這個(gè)和上面提到的其他主題的更多信息。

結(jié)論

智能電路板布局是運(yùn)放電路設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵，對(duì)于高速電路更是如此。好的原理圖是好的布局的基礎(chǔ);電路設(shè)計(jì)人員和布局設(shè)計(jì)人員之間的密切協(xié)調(diào)是必不可少的，特別是在零件和布線(xiàn)的位置方面。要考慮的主題包括電源旁路、最小化寄生、接地平面的使用、運(yùn)算放大器封裝的影響以及路由和屏蔽方法。

參考電路

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