寄生效應
所謂寄生效應就是那些溜進你的PCB并在電路中大施破壞、頭痛令人、原因不明的小故障(按照字面意思)。它們就是滲入
高速電路中隱藏的寄生電容和寄生電感。 其中包括由封裝引腳和印制線過長形成的寄生電感;焊盤到地、焊盤到電源平面和焊盤到印制線之間形成的寄生電容;通孔之間的相互影響,以及許多其它可能的寄 生效應。圖3(a)示出了一個典型的同相運算放大器原理圖。但是,如果考慮寄生效應的話,同樣的電路可能會變成圖3(b)那樣。
圖3. 典型的運算放大器電路,(a)原設計圖,(b)考慮寄生效應后的圖。
在高速電路中,很小的值就會影響電路的性能。有時候幾十個皮法(pF)的電容就足夠了。相關實例:如果在反相輸入端僅有1 pF的附加寄生電容,它在頻率域可以引起差不多2 dB的尖脈沖(見圖4)。如果寄生電容足夠大的話,它會引起電路的不穩(wěn)定和振蕩。
圖4. 由寄生電容引起的附加尖脈沖
當尋找有問題的寄生源時,可能用得著幾個計算上述那些寄生電容尺寸的基本公式。公式(1)是計算平行極板電容器(見圖5)的公式。
C表示電容值,A表示以cm2為單位的極板面積,k表示PCB材料的相對介電常數(shù),d表示以cm為單位的極板間距離。
圖5. 兩極板間的電容
帶狀電感是另外一種需要考慮的寄生效應,它是由于印制線過長或缺乏接地平面引起的。式(2)示出了計算印制線電感(Inductance)的公式。參見圖6。
W表示印制線寬度,L表示印制線長度,H表示印制線的厚度。全部尺寸都以mm為單位。
圖6. 印制線電感
圖7中的振蕩示出了高速運算放大器同相輸入端長度為2.54 cm的印制線的影響。其等效寄生電感為29 nH(10-9H),足以造成持續(xù)的低壓振蕩,會持續(xù)到整個瞬態(tài)響應周期。圖7還示出了如何利用接地平面來減小寄生電感的影響。
圖7. 有接地平面和沒有接地平面的脈沖響應
通孔是另外一種寄生源;它們能引起寄生電感和寄生電容。公式(3)是計算寄生電感的公式(參見圖8)。
T表示PCB的厚度,d表示以cm為單位的通孔直徑。
圖8. 通孔尺寸
公式(4)示出了如何計算通孔(參見圖8)引起的寄生電容值。
εr 表示PCB材料的相對磁導率。T表示PCB的厚度。D1表示環(huán)繞通孔的焊盤直徑。D2表示接地平面中隔離孔的直徑。所有尺寸均以cm為單位。在一塊 0.157 cm厚的PCB上一個通孔就可以增加1.2 nH的寄生電感和0.5 pF的寄生電容;這就是為什么在給PCB設計布線時一定要時刻保持戒備的原因,要將寄生效應的影響降至最小。
接地平面
實際上需要討論的內(nèi)容遠不止本文提到的這些,但是我們會重點突出一些關鍵特性并鼓勵讀者進一步探討這個題。本文的最后列出有關的參考文獻。
接地平面起到公共基準電壓的作用,提供屏蔽,能夠散熱和減小寄生電感(但它也會增加寄生電容)的功能。雖然使用接地平面有許多好處,但是在實現(xiàn)時也必須小心,因為它對能夠做的和不能夠做的都有一些限制。
理想情況下,PCB有一層應該專門用作接地平面。這樣當整個平面不被破壞時才會產(chǎn)生最好的結(jié)果。千萬不要挪用此專用層中接地平面的區(qū)域用于連接其它信號。由于接地平面可以消除導體和接地平面之間的磁場,所以可以減小印制線電感。如果破壞接地平面的某個區(qū)域,會給接地平面上面或下面的印制線引入意想不到的寄生電感。
因為接地平面通常具有很大的表面積和橫截面積,所以使接地平面的電阻保持最小值。在低頻段,電流會選擇電阻最小的路徑,但是在高頻段,電流會選擇阻抗最小的路徑。
然而也有例外,有時候小的接地平面會更好。如果將接地平面從輸入或者輸出焊盤下挪開,高速運算放大器會更好地工作。因為在輸入端的接地平面引入的寄生電容, 增加了運算放大器的輸入電容,減小了相位裕量,從而造成不穩(wěn)定性。正如在寄生效應一節(jié)的討論中所看到的,運算放大器輸入端1 pF的電容能引起很明顯的尖脈沖。輸出端的容性負載——包括寄生的容性負載——造成了反饋環(huán)路中的極點。這會降低相位裕量并造成電路變得不穩(wěn)定。
如果有可能的話,模擬電路和數(shù)字電路——包括各自的地和接地平面——應該分開??焖俚纳仙貢斐呻娏髅塘魅虢拥仄矫?。這些快速的電流毛刺引起的噪聲會破壞模擬性能。模擬地和數(shù)字地(以及電源)應該被連接到一個共用的接地點以便降低循環(huán)流動的數(shù)字和模擬接地電流和噪聲。
在高頻段,必須考慮一種稱為“趨膚效應”的現(xiàn)象。趨膚效應會引起電流流向?qū)Ь€的外表面——結(jié)果會使得導線的橫截面變窄,因此使直流(DC)電阻增大。雖然趨 膚效應超出了本文討論的范圍,這里還是給出銅線中趨膚深度(Skin Depth)的一個很好的近似公式(以cm為單位):
低靈敏度的電鍍金屬有助于減小趨膚效應。
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