在任何一个电路板设计人员的工具箱里，积体电路放大器都是最基本的构件模组之一，它是目前市面上最全能的产品之一。放大器具有多项功能，如驱动ADC，驱动多个视讯负载，作为视讯或其它类型滤波器，驱动高速仪器讯号等。它们还可以作为振荡器，不过，在某些实际应用中却会成为一个问题，因为放大器应该只在设计人员需要的时候才振荡。而如果电路板设计不正确，放大器却会自行其是，随意振荡。那么，设计人员应该怎么做才能避免这种有害的振荡呢？试回忆一下我们以前在电子课程里学过的知识，即振荡与电容、电感和回馈相关。因此，关键在于精心设计电路板，确保减少或消除任何无关的电容性和电感性回馈路径。本文将提出13条布局设计指南。
 

电路板、负载(尤其是电容性负载)，以及/或布局设计，都会带来无形的电容和电感。此外，流入电路板各处旁路电容的电流可能产生不同的路径，导致失真。因此，有些号称减少失真的技术其实是适得其反，与避免振荡的设计规则背道而驰。(设计人员的工作从来非易事，的确如此)那么，在进行放大器或视讯滤波器的布局设计时，为了保持全域平衡，减少失真和振荡，需要考虑到哪些事项呢？
 

图1：放大器或视讯滤波器的布局设计

 

首先看看振荡器，在利用放大器直接驱动电容性负载时，负载会与放大器的输出阻抗会产生相位滞后，而相位滞后将导致脉衝尖峰或振荡。有些放大器能够直接驱动电容性负载，但有些放大器则需要在放大器的输出端增加一个小串联电阻(Rs)来提高放大器的稳定性和设立时间(settling time)性能。

 

图2为驱动传输电缆(如同轴电缆)的典型电路配置图。电阻Rs和RL应该等于电缆的特徵阻抗(Zo)，而电容C应该可被用来在更大的频率范围对电缆进行匹配，以对随频率提高而增加的放大器输出阻抗进行补偿。

 

图2：驱动电缆或传输线的典型电路图。

 

高频放大器很容易受电路布局所致失真的影响，即使是低频放大器，比如音讯放大器，也具有非常严格的失真要求。失真(THD)是音讯品质的主要指标，因此，减少布局引起的失真十分关键。

 

高频电路板布局设计主要规则是使高频旁路电容尽可能靠近封装的电源接脚。不过，实验显示，稍微延长高频旁路电容的连接走线可以提高平坦度和差分增益，因而减少失真。设计规则当然有益，而设计人员的实验经验也十分有用，可以确保规则与实际的一致性。

 

在电路板上设计视讯滤波驱动器时，很重要的一点是，应该把输入藕合电容和端接电阻靠近输入接脚放置，以获得最佳讯号完整性。图3所示为视讯滤波器/驱动器的一种典型AC藕合输入配置。在这种配置中，采用0.1uF陶瓷电容来对输入讯号进行AC藕合。如果输入讯号不低于接地电位，钳位电路不启动；但若输入讯号低于接地电位，则钳位电路会把同步端最低电压设置为恰好低于接地电位。钳位电路设置的输入电平，结合内部DC偏移量，将使输出讯号保持在可接受的范围之内，大约在250mV左右。
 

图3：视讯滤波器/驱动器的一种典型AC藕合输入配置

 

为了获得最高的输出讯号品质，串联端接电阻必须尽可能靠近元件的输出接脚放置。这将大幅减少寄生电容和寄生电感对驱动器输出的影响。从元件接脚到串联端接电阻的距离不应该超过0.5英吋(见图4)。图5是作为多媒体设备中作为输出驱动器的视讯滤波器/驱动器的典型原理示意图。在图5所示的情况下，多媒体设备的複合视讯讯号端子接多媒体设备，S视讯输出端子开通。在这时，让串联端接电阻靠近元件的输出接脚非常关键，可以把寄生电容对滤波器输出驱动器的影响降至最小，因而避免输出端出现振荡。图6所示为Fairchild半导体的FMS6346A视讯滤波驱动器驱动25pF的负载，图7所示为FMS6346A驱动47pF的电容性负载。这显示，电容越小，性能越好。

图4：从元件接脚到串联端接电阻的距离不应该超过0.5英吋

 

图5：FMS6346A视讯滤波器输出到S-视讯

 

图6：FMS6346A视讯滤波驱动器驱动25pF的负载

 

图7：FMS6346A驱动47pF的电容性负载

 

那么，考虑到了电路布局对性能的所有可能的影响，电路板设计人员可以做些什么来确保布局避免振荡、失真和总体讯号品质低下呢？下面的基本布局和旁路电容设计指南《电路板设计规则13条(Lucky 13)》可能颇有脾益：

 

电路板设计规则13条：

1) RTM(仔细阅读产品手册)。放大器的数据手册一般都会提出其最小稳定增益要求。该指标至关重要，如果放大器的工作增益小于推荐的最小稳定增益，就可能产生振荡。

2)采用一个接地平面。这是为元件提供低感性接地连接的最好方法。

3) 去掉放大器下方和周围的接地平面，去掉感应接脚附近的接地平面。去掉高速放大器输入输出接脚附近的接地平面，可以减少杂散电容。同样，去掉放大器下面和周围的接地平面也很有帮助。

4) 采用表面安装元件。这类元件的接脚电感很小。

5) 尽可能缩短接脚长度。缩短接脚长度可以减少放大器反相输入端的串联电感。

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)，以减少电感。

7采用推荐的回馈电阻值。在使用电流回馈放大器时，这一点十分重要。

8) 不要在放大器的直接反馈迴路中使用非线性元件(如电容)。

9) 采用一个回馈电阻来实现单位增益配置。而不要使用标淮的电压跟随(voltage-follower)电路。

10) 使用旁路电容。在每个电源上增加一个旁路电容有助于降低电源接脚处的回流电流路径阻抗，提高电源杂讯抑制能力，并对电源走线进行高频过滤。大多数厂商都推荐使用6.8uF坦电容和0.1uF陶瓷电容。为获得最佳性能，应该按照以下规则放置电容：6.8uF电容距电源接脚不超过0.75英吋，0.1uF电容距电源接脚不超过0.1英吋。当两者的距离增加时，由于走线电感增加，电容的滤波效果下降。不过，这也需要与失真考虑事项进行权衡，因为实验结果显示，该距离延长一点点会改善失真性能。

11) 调整旁路电容，减少失真。当单个运算放大器因接地电流路径而产生失真时，可调整旁路元件，对接地电流进行调节，使其远离输入元件。这十分简单，只需调整旁路电容，使它的接地连接远离输入即可。

12)对于视讯滤波器，使串联端接电阻靠近输出接脚放置。这样做可以把寄生电容对滤波器输出驱动器的影响减至最小，因而避免输出端出现振荡。

13) 输入藕合电容和端接电阻靠近输入接脚放置，以获得最佳讯号完整性。

 

电路板布局对系统性能的影响非常大，因此，在布局设计阶段，应该谨慎监测，避免失误。

 

图8：一个单电源放大器示例。如果使用双电源放大器，则只需在其它电源上增加相同的旁路电容即可。