運(yùn)算放大器“LMR1802G-LB”簡介：

近年來，隨著IoT的普及，為實(shí)現(xiàn)更高性能并進(jìn)行高級(jí)控制，包括移動(dòng)設(shè)備在內(nèi)，汽車、工業(yè)設(shè)備等所有應(yīng)用中均搭載了諸多傳感器。傳感器是將各種環(huán)境、物理變化轉(zhuǎn)換為信號(hào)的元器件，要求具備高精度，而同時(shí)在節(jié)能化（省電化）的大趨勢(shì)下，傳感器外圍電路的電壓呈日益降低趨勢(shì)。

LMR1802G-LB融合ROHM的“電路設(shè)計(jì)”、“工藝”、“布局”三大模擬技術(shù)優(yōu)勢(shì)開發(fā)而成，是一款等效輸入電壓噪聲密度（以下簡稱“噪聲性能”）僅為市場流通產(chǎn)品（以下簡稱“傳統(tǒng)產(chǎn)品”）的1/2左右（1kHz 時(shí)2.9nV/√Hz，10Hz 時(shí)7.8nV/√Hz）、低噪聲性能具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)、傳感器信號(hào)檢測(cè)性能顯著提升的運(yùn)算放大器。另外，與低噪聲性能呈矛盾關(guān)系的相位裕量和容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)也分別實(shí)現(xiàn)了業(yè)界頂級(jí)性能（相位裕量68°，容性負(fù)載500pF），還是一款具備業(yè)界頂級(jí)的低噪聲性能，并具有卓越的穩(wěn)定性（不易振蕩，易于操作）的運(yùn)放產(chǎn)品。這使得準(zhǔn)確地放大僅幾μV的電壓也成為可能，非常有助于促進(jìn)需要高精度感測(cè)的工業(yè)設(shè)備以及家電發(fā)展。

ROHM通過發(fā)揮模擬設(shè)計(jì)技術(shù)和獨(dú)有的工藝等垂直統(tǒng)合型生產(chǎn)體制優(yōu)勢(shì)，去年面向車載市場開發(fā)出超強(qiáng)抗噪聲（抗外部噪聲性能優(yōu)異）運(yùn)算放大器，此次則面向工業(yè)設(shè)備及家電等領(lǐng)域開發(fā)出業(yè)界頂級(jí)的低噪聲（電子電路產(chǎn)生的噪聲少）運(yùn)算放大器。

＜特點(diǎn)＞

1．低噪聲且更易用，業(yè)界頂級(jí)性能的低噪聲CMOS運(yùn)算放大器

新產(chǎn)品作為融合ROHM的“電路設(shè)計(jì)（差分輸入級(jí)新電路）”、“布局（多年積累的模擬布局）”、“工藝（為了低噪聲而優(yōu)化）”三大模擬技術(shù)優(yōu)勢(shì)開發(fā)而成的低噪聲CMOS運(yùn)算放大器，等效輸入電壓噪聲密度實(shí)現(xiàn)1kHz 時(shí)2.9nV/√Hz、10Hz 時(shí)7.8nV/√Hz，與市場流通品相比，噪聲量僅為1/2左右，低噪聲性能具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

另外，以往在追求運(yùn)算放大器的低噪聲性能時(shí)，存在相位裕量和容性負(fù)載特性惡化、容易振蕩等電路設(shè)計(jì)方面的難題。而ROHM通過在運(yùn)算放大器的差分輸入級(jí)采用新電路，不僅實(shí)現(xiàn)了業(yè)界頂級(jí)的低噪聲性能，還同時(shí)實(shí)現(xiàn)了業(yè)界頂級(jí)的68°相位裕量和500pF容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)。

這使得傳感器信號(hào)檢測(cè)性能顯著提升（例如提高至傳統(tǒng)產(chǎn)品的2倍等），僅幾μV的電壓也可準(zhǔn)確地放大，非常有助于以“高精度”為關(guān)鍵詞的搭載傳感器的設(shè)備實(shí)現(xiàn)更高性能。

2．引發(fā)誤差的輸入失調(diào)電壓和輸入偏置電流也力求極小化

運(yùn)算放大器當(dāng)輸入電壓為0V時(shí)輸出電壓應(yīng)為0V，不過因其結(jié)構(gòu)方面的原因?qū)a(chǎn)生失調(diào)電壓而出現(xiàn)誤差。另外，當(dāng)傳感器輸出的阻抗較高時(shí)，如果運(yùn)算放大器的輸入偏置電流較大，則將影響到傳感器輸出電壓。這兩個(gè)特性作為導(dǎo)致運(yùn)算放大器誤差的主要因素，要求其值要盡量小。

新產(chǎn)品的輸入失調(diào)電壓僅為450μV（傳統(tǒng)產(chǎn)品的1/4），輸入偏置電流僅為0.5pA（傳統(tǒng)產(chǎn)品的1/2），從減少誤差的角度看也可實(shí)現(xiàn)高精度放大。

USB_2.0簡介：

USB 通用串行總線(Universal Serial Bus)，目前我們所說的 USB 一般都是指 USB2.0，USB2．0 接口是目前許多高速數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的首選接口，從 1.1 過渡到 2.O，作為其重要指標(biāo)的設(shè)備傳輸速度，從 1.5 Mbps 的低速和 12 Mbps 的全速，提高到如今的 480 Mbps 的高速。USB 的特點(diǎn)不用多說大家也知道就是：速度快、功耗低、支持即插即用、使用安裝方便。正是因?yàn)槠湟陨蟽?yōu)點(diǎn)現(xiàn)在很多視頻設(shè)備也都采用 USB 傳輸。

USB2.0 設(shè)備高速數(shù)據(jù)傳輸 PCB 板設(shè)計(jì)。對(duì)于高速數(shù)據(jù)傳輸 PCB 板設(shè)計(jì)最主要的就是差分信號(hào)線設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)好壞關(guān)乎整個(gè)設(shè)備能否正常運(yùn)行。

USB2．0 接口差分信號(hào)線設(shè)計(jì)

USB2．0 協(xié)議定義由兩根差分信號(hào)線(D、D-)傳輸高速數(shù)字信號(hào)，最高的傳輸速率為 480 Mbps。差分信號(hào)線上的差分電壓為 400 mV，理想的差分阻抗(Zdiff)為 90(1±O．1)Ω。在設(shè)計(jì) PCB 板時(shí)，控制差分信號(hào)線的差分阻抗對(duì)高速數(shù)字信號(hào)的完整性是非常重要的，因?yàn)椴罘?阻抗影響差分信號(hào)的眼圖、信號(hào)帶寬、信號(hào)抖動(dòng)和信號(hào)線上的干擾電壓。由于不同軟件測(cè)量存在一定偏差，所以一般我們都是要求控制在 80Ω 至 100Ω 間。

差分線由兩根平行繪制在PCB 板表層(頂層或底層)發(fā)生邊緣耦合效應(yīng)的微帶線(Microstrip)組成的，其阻抗由兩根微帶線的阻抗及其和決定，而微帶線的阻抗(Zo)由微帶線線寬(W)、微帶線走線的銅皮厚度(T)、微帶線到最近參考平面的距離(H)以及 PCB 板材料的介電常數(shù)(Er)決定，其計(jì)算公式 為：Zo={87/sqrt(Er 1．41)]}ln[5．98H/(0．8W T)]。影響差分線阻抗的主要參數(shù)為微帶線阻抗和兩根微帶線的線間距(S)。當(dāng)兩根微帶線的線間距增加時(shí)，差分線的耦合效應(yīng)減弱，差分阻抗增大；線間距減 少時(shí)，差分線的耦合效應(yīng)增強(qiáng)，差分阻抗減小。差分線阻抗的計(jì)算公式為：Zdiff=2Zo（1-0.48exp(-0.96S/H))。當(dāng) W=16mil，S=7mil時(shí)，Zdiff=87Ω。但通過上述公式來推導(dǎo)合適的走線尺寸的計(jì)算過程比較復(fù)雜，借助 PCB 阻抗控制設(shè)計(jì)軟件 Polar 可 以很方便的得到合適的結(jié)果，由 Polar 可以得到當(dāng) W=11mil，S=5mil 時(shí)，Zdiff=92.2Ω。

在繪制 USB2．O 設(shè)備接口差分線時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)要求：

在元件布局時(shí)，應(yīng)將USB2．O 芯片放置在離地層最近的信號(hào)層，并盡量靠近 USB 插座，縮短差分 線走線距離。

差分線上不應(yīng)加磁珠或者電容等濾波措施，否則會(huì)嚴(yán)重影響差分線的阻抗。

如果 USB2．O 接口芯片需串聯(lián)端電阻或者 D 線接上拉電阻時(shí)，務(wù)必將這些電阻盡可能的靠近芯片放置。

將 USB2．O 差分信號(hào)線布在離地層最近的信號(hào)層。

在繪制 PCB 板上其他信號(hào)線之前，應(yīng)完成 USB2．0 差分線和其他差分線的布線。

保持 USB2．O 差分線下端地層完整性，如果分割差分線下端的地層，會(huì)造成差分線阻抗的不連續(xù)性，并會(huì)增加外部噪聲對(duì)差分線的影響。

在 USB2．0 差分線的布線過程中，應(yīng)避免在差分線上放置過孔(via)，過孔會(huì)造成差分線阻抗失調(diào)。如果必須要通過放置過孔才能完成差 分線的布線，那么應(yīng)盡量使用小尺寸的過孔，并保持 USB2．0 差分線在一個(gè)信號(hào)層上。

保證差分線的線間距在走線過程中的一致性，使用 Cadence 繪圖時(shí)可以用shove 保證，但在使用 Protel繪圖時(shí)要特別注意。如果在 走線過程中差分線的間距發(fā)生改變，會(huì)造成差分線阻抗的不連續(xù)性。

在繪制差分線的 過程中，使用 45°彎角或圓弧彎角來代替 90°彎角，并盡量在差分線周圍的 150 mil 范圍內(nèi)不要走其他的信號(hào)線，特別是邊沿比較陡峭的數(shù)字信號(hào)線更加要注意其走線不能影響 USB 差分線。

差分線要盡量等長，如果兩根線長度相差較大時(shí)，可以繪制蛇行線增加短線長度。

USB2.0 總線接口端電源線和地線設(shè)計(jì)

USB 接口有 5 個(gè)端點(diǎn)，分別為：USB 電源(VBUS)、D-、D 、信號(hào)地(GND)和保護(hù)地(SHIELD)。上面已經(jīng)介紹過如何設(shè)計(jì) D 、D-差分信號(hào)了，正確設(shè)計(jì) USB 總線電源、信號(hào)地和保護(hù)地對(duì)USB 系統(tǒng)的正常工作也是同樣重要的。

USB 電源線電壓為 5 V，提供的最大電流為500mA，應(yīng)將電源線布置在靠近電源層的信號(hào)層上，而不是布置在與 USB 差分線所在的相同層上，線寬應(yīng)在 30mil 以上，以減少它對(duì)差分信號(hào)線的干擾。現(xiàn)在很多廠家的 USB 從控制芯片工作電壓為 3．3 V，當(dāng)其工作在總線供電模式時(shí)，需要 3．3～5 V 的電源轉(zhuǎn)換芯片，電源轉(zhuǎn)換芯片的輸出端應(yīng)盡量靠近 USB 芯片的電壓輸入端，并且電源轉(zhuǎn)換芯片的輸入和輸出端都應(yīng)加大容量電容并聯(lián)小容量電容進(jìn)行濾波。當(dāng) USB 從控制芯片工作在自供電的模式時(shí)，USB 電源線可以串聯(lián)一個(gè)大電阻接到地。

保護(hù)地和信號(hào)地之間的間距不應(yīng)小于 25mil， 以減少兩個(gè)地之間的邊緣耦合作用。保護(hù)地不要大面積覆銅，一根 100mli 寬度的銅箔線就已能滿足保護(hù)地的功能需要了。

在繪制 USB 電源線、信號(hào)地和保護(hù)地時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

USB 插座的 1、2、3、4 腳應(yīng)在信號(hào)地的包圍范圍內(nèi)，而不是在保護(hù)地的包圍范圍內(nèi)。

USB 差分信號(hào)線和其他信號(hào)線在走線的時(shí)候不應(yīng)與保護(hù)地層出現(xiàn)交疊。

電源層和信號(hào)地層在覆銅的時(shí)候要注意不應(yīng)與保護(hù)地層出現(xiàn)交疊。

電源層要比信號(hào)地層內(nèi)縮20D，D 為電源層與信號(hào)地層之間的距離。

如果差分線所在層的信號(hào)地需要大面積覆銅，注意信號(hào)地與差分線之間要保證 35 mil 以上的間距，以免覆銅后降低差分線的阻抗。

在其他信號(hào)層可以放置一些具有 信號(hào)地屬性的過孔，增加信號(hào)地的連接性，縮短信號(hào)電流回流路徑。

在 USB 總線的 電源線和 PCB 板的電源線上，可以加磁珠增加電源的抗干擾能力。

USB2．0 其他信號(hào)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

USB2．O 提供高達(dá) 480 Mbps 的傳輸速率，因此芯片需要外接一個(gè)較高頻率的晶振，例如 Cypress 公司的 CY7C68013 需要外接 1 個(gè) 24 MHz 的晶振。晶振應(yīng)盡量靠近 USB 芯片的時(shí)鐘輸入腳，時(shí)鐘線不能跨越 USB2．0 的差分線，晶振下不要布置任何信號(hào)線，并且在時(shí)鐘線周圍應(yīng)覆有完整的信號(hào)地，以降低時(shí)鐘線對(duì)其他信號(hào)線的干擾，特別是對(duì)差分線的干擾。在繪制USB 芯片與其他芯片相連的數(shù)據(jù)線時(shí)，應(yīng)保證線間距不小于 8mil。

按 EMC、EMI 原理和信號(hào)完整性要求設(shè)計(jì)的 USB2．0 設(shè)備 PCB 板，傳輸速率可以達(dá)到 300 Mbps 以上。高速數(shù)字信號(hào)傳輸 PCB 板設(shè)計(jì)是一個(gè)比較復(fù)雜的領(lǐng)域，對(duì)設(shè)計(jì)人員的要求比較高，設(shè)計(jì)周期也比較長。

審核編輯黃昊宇