盡管其在高速電路中具有重要性，但印刷電路板（PCB）布局通常是設(shè)計(jì)過(guò)程中的最后步驟之一。高速PCB布局有很多方面; 關(guān)于這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)寫(xiě)了很多卷。本文從實(shí)際角度闡述了高速布局。主要目的是幫助新手了解在設(shè)計(jì)高速電路板布局時(shí)需要解決的眾多因素。但它也是為了讓那些遠(yuǎn)離電路板布局一段時(shí)間的人受益。并非每個(gè)主題都可以在這里提供的空間中詳細(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)修訂方面獲得最大回報(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)其他高速模擬電路的布局。當(dāng)運(yùn)算放大器在高RF頻率下工作時(shí)，電路性能在很大程度上取決于電路板布局。高性能的電路設(shè)計(jì)看起來(lái)很好“紙上”可以在粗心或草率布局的阻礙下提供平庸的性能。提前考慮并在整個(gè)布局過(guò)程中注意顯著的細(xì)節(jié)將有助于確保電路按預(yù)期執(zhí)行。

原理圖

雖然沒(méi)有保證，但良好的布局從良好的原理圖開(kāi)始。在繪制原理圖時(shí)要周到和慷慨，并考慮通過(guò)電路的信號(hào)流。從左到右具有自然且穩(wěn)定流動(dòng)的示意圖也將在板上具有良好的流動(dòng)。盡可能在原理圖上提供盡可能多的有用信息。從事這項(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)我們會(huì)被客戶(hù)要求幫助設(shè)計(jì)電路，因?yàn)樵O(shè)計(jì)師已經(jīng)不在了。

除了通常的參考標(biāo)志，功耗和容差之外，哪種信息屬于原理圖？以下是一些可以將普通原理圖轉(zhuǎn)換為超級(jí)原理圖的建議！添加波形，有關(guān)外殼或外殼的機(jī)械信息，走線(xiàn)長(zhǎng)度，禁區(qū); 指定哪些組件需要在板上; 包括調(diào)諧信息，元件值范圍，熱信息，受控阻抗線(xiàn)，注釋?zhuān)?jiǎn)要電路操作說(shuō)明......（列表繼續(xù)）。

信任沒(méi)有人

如果您沒(méi)有自己的布局，請(qǐng)務(wù)必留出足夠的時(shí)間與布局人員一起完成設(shè)計(jì)。此時(shí)的一盎司預(yù)防值得超過(guò)一磅治療！不要指望布局人能夠讀懂你的想法。在布局過(guò)程的開(kāi)始階段，您的輸入和指導(dǎo)是最關(guān)鍵的。您可以提供的信息越多，整個(gè)布局過(guò)程中涉及的信息越多，電路板就會(huì)越好。為設(shè)計(jì)師提供臨時(shí)完成點(diǎn) - 您希望在其中獲得布局進(jìn)度的通知，以便快速查看。這種“循環(huán)閉合”可防止布局誤入歧途，并最大限度地減少重新設(shè)計(jì)電路板布局。

您對(duì)設(shè)計(jì)人員的說(shuō)明應(yīng)包括：電路功能的簡(jiǎn)要說(shuō)明; 顯示輸入和輸出位置的電路板草圖; 電路板堆疊（即電路板厚度，電路層數(shù)，信號(hào)層和電平，電源，接地，模擬，數(shù)字和RF的細(xì)節(jié)）; 哪個(gè)信號(hào)需要在每一層; 需要關(guān)鍵部件的位置; 繞過(guò)組件的確切位置; 哪些痕跡至關(guān)重要; 哪些線(xiàn)路需要控制阻抗線(xiàn); 哪些線(xiàn)需要匹配長(zhǎng)度; 元件尺寸; 哪些痕跡需要遠(yuǎn)離（或接近）彼此; 哪些電路需要彼此遠(yuǎn)離（或靠近）; 哪些組件需要彼此接近（或遠(yuǎn)離）; 哪些組件位于電路板的頂部和底部。你永遠(yuǎn)不會(huì)得到一個(gè)投訴給了人太多的信息太少，是的; 太多了，沒(méi)有。

一個(gè)學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)：大約10年前，我設(shè)計(jì)了一個(gè)多層表面安裝板與板的兩面組成部分。電路板用許多螺絲擰入鍍金鋁制外殼（由于嚴(yán)格的振動(dòng)規(guī)格）。偏置饋通引腳穿過(guò)電路板。引腳通過(guò)引線(xiàn)鍵合到PCB上。這是一個(gè)復(fù)雜的集會(huì)。電路板上的一些組件是SAT（設(shè)置為測(cè)試）。但我沒(méi)有說(shuō)明這些組件應(yīng)該在哪里。你能猜出其中一些被放置的地方嗎？對(duì)！在董事會(huì)的底部。當(dāng)生產(chǎn)工程師和技術(shù)人員不得不拆開(kāi)組件，設(shè)定值，然后重新組裝所有東西時(shí)，他們并不高興。我沒(méi)有再犯這個(gè)錯(cuò)誤。

位置，位置，位置

和房地產(chǎn)一樣，位置就是一切。電路放置在電路板上，各個(gè)電路元件所在的位置，以及附近的其他電路都是關(guān)鍵的。

通常，輸入，輸出和電源位置是定義的，但它們之間發(fā)生的事情是“爭(zhēng)搶”。這是注意布局細(xì)節(jié)將產(chǎn)生顯著回報(bào)的地方。從單個(gè)電路和整個(gè)電路板開(kāi)始，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)按照預(yù)期的方式工作。在第一次降低成本和壓力時(shí)做到正確，并縮短周期時(shí)間。

電源旁路

繞過(guò)放大器電源端的電源以最大限度地降低噪聲是PCB設(shè)計(jì)過(guò)程的關(guān)鍵方面 - 無(wú)論是高速運(yùn)算放大器還是任何其他高速電路。繞過(guò)高速運(yùn)算放大器有兩種常用配置。

接地導(dǎo)線(xiàn)：這種技術(shù)在大多數(shù)情況下效果最佳，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 - 但是一些電路可能受益于并聯(lián)的附加電容器。

并聯(lián)不同的電容值有助于確保電源引腳在寬頻帶上看到低交流阻抗。這在運(yùn)算放大器電源 抑制的頻率下尤為重要（PSR）正在下滑。電容有助于補(bǔ)償放大器降低的PSR。在數(shù)十年的頻率下保持低阻抗接地路徑將有助于確保不需要的噪聲無(wú)法進(jìn)入運(yùn)算放大器。圖1顯示了多個(gè)并聯(lián)電容器的優(yōu)勢(shì)。在較低頻率下，較大的電容器提供低阻抗接地路徑。一旦這些電容器達(dá)到自諧振，電容質(zhì)量就會(huì)降低，電容器就會(huì)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)電容器的頻率響應(yīng)變得很大，從而在幾十年的頻率下保持低交流阻抗。

圖1.電容器阻抗與頻率的關(guān)系。

直接從運(yùn)算放大器的電源引腳開(kāi)始; 具有最低值和最小物理尺寸的電容應(yīng)與運(yùn)算放大器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)連接到接地層，導(dǎo)線(xiàn)或走線(xiàn)長(zhǎng)度最短。此接地連接應(yīng)盡可能靠近放大器的負(fù)載，以最大限度地減少導(dǎo)軌和地之間的干擾。圖2說(shuō)明了這種技術(shù)。

圖2.并聯(lián)電容器軌對(duì)地旁路。

對(duì)于下一個(gè)更高值的電容器，應(yīng)該重復(fù)該過(guò)程。一個(gè)好的起點(diǎn)是最小值為0.01μF，下一個(gè)電容器為低ESR的2.2μF或更大電解質(zhì)。0508外殼尺寸為0.01μF，具有低串聯(lián)電感和出色的高頻性能。

軌到軌：備用配置使用一個(gè)或多個(gè)旁路電容連接在運(yùn)算放大器的正負(fù)電源軌之間。當(dāng)難以獲得電路中的所有四個(gè)電容器時(shí)，通常使用該方法。這種方法的缺點(diǎn)是電容器外殼尺寸會(huì)變大，因?yàn)殡娙萜鲀啥说碾妷菏菃坞娫磁月贩椒ǖ膬杀?。較高的電壓需要較高的擊穿等級(jí)，這意味著更大的外殼尺寸。但是，此選項(xiàng)可以改善PSR和失真性能。

由于每個(gè)電路和布局不同; 電容器的配置，數(shù)量和值由實(shí)際電路要求決定。

寄生效應(yīng)

寄生蟲(chóng)是那些令人討厭的小小鬼，它們會(huì)進(jìn)入你的PCB（非常字面），并在你的電路中造成嚴(yán)重破壞。它們是隱藏的雜散電容和電感，可以滲透高速電路。它們包括由封裝引線(xiàn)和多余走線(xiàn)長(zhǎng)度形成的電感器; 焊盤(pán)對(duì)地，焊盤(pán)到電源平面和焊盤(pán)到走線(xiàn)電容器; 與過(guò)孔的交互，以及更多的可能性。圖3（a）是同相運(yùn)算放大器的典型示意圖。但是，如果要考慮寄生元件，則相同的電路如圖3（b）所示。

圖3.典型運(yùn)算放大器電路，如設(shè)計(jì)（a）和寄生效應(yīng)（b）。

在高速電路中，影響電路性能并不需要太多。有時(shí)只有十分之一皮法就足夠了。例證：如果在反相輸入端僅存在1 pF的額外雜散寄生電容，則可能在頻域中引起幾乎2 dB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。

圖4.由寄生電容引起的額外峰值。

在尋找有問(wèn)題的寄生效應(yīng)的來(lái)源時(shí)，一些計(jì)算那些小鬼的大小的基本公式可以派上用場(chǎng)。公式1是平行板電容的公式（見(jiàn)圖5）。

C是電容，A是板的面積，單位為cm 2，k是板材的相對(duì)介電常數(shù)，d是板之間的距離，單位為厘米。

圖5.兩塊板之間的電容。

條形電感是另一種需要考慮的寄生電路，這是由于走線(xiàn)長(zhǎng)度過(guò)大和缺少接地層造成的。公式2顯示了走線(xiàn)電感的公式。見(jiàn)圖6。

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

圖6.走線(xiàn)長(zhǎng)度的電感。

圖7中的振蕩顯示了2.54 cm走線(xiàn)長(zhǎng)度對(duì)高速運(yùn)算放大器同相輸入的影響。等效雜散電感為29 nH（毫微亨），足以引起持續(xù)的低電平振蕩，在整個(gè)瞬態(tài)響應(yīng)期間持續(xù)存在。該圖還顯示了如何使用接地層減輕雜散電感的影響。

圖7.帶有 - 和不帶接地平面的脈沖響應(yīng)。

Vias是寄生物的另一個(gè)來(lái)源; 它們可以引入電感和電容。公式3是寄生電感的公式（見(jiàn)圖8）。

T是電路板的厚度，d是通孔的直徑，單位為厘米。

圖8.通過(guò)尺寸。

公式4顯示了如何計(jì)算通孔的寄生電容（見(jiàn)圖8）。

ε - [R是基板材料的相對(duì)磁導(dǎo)率。T是電路板的厚度。D 1是圍繞通孔的墊的直徑。D 2是接地平面中的間隙孔的直徑。所有尺寸均以厘米為單位。在0.157厘米厚的電路板中，單個(gè)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)，必須保持不斷的守夜，以盡量減少寄生蟲(chóng)的滲透！

地平面

討論的內(nèi)容遠(yuǎn)不止這里討論，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)地研究這一主題。本文末尾將出現(xiàn)一個(gè)參考列表。

接地層用作公共參考電壓，提供屏蔽，實(shí)現(xiàn)散熱，并減少雜散電感（但它也會(huì)增加寄生電容）。雖然使用地平面有許多優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)施地平面時(shí)必須小心，因?yàn)樗梢宰鍪裁春筒荒茏鍪裁炊加邢拗啤?/p>

理想情況下，PCB的一層應(yīng)專(zhuān)用于作為接地層。當(dāng)整個(gè)飛機(jī)不間斷時(shí)，將獲得最佳效果。抵制移除地平面區(qū)域的誘惑，以便在該專(zhuān)用層上路由其他信號(hào)。接地平面通過(guò)導(dǎo)體和接地平面之間的磁場(chǎng)消除來(lái)減小走線(xiàn)電感。當(dāng)去除接地平面的區(qū)域時(shí)，可以將意外的寄生電感引入接地平面上方或下方的跡線(xiàn)中。

因?yàn)榻拥仄矫嫱ǔ＞哂写蟮谋砻婧蜋M截面積，所以接地平面中的電阻保持最小。在低頻時(shí)，電流將采用阻抗最小的路徑，但在高頻時(shí)，電流遵循阻抗最小的路徑。

盡管如此，也有例外，有時(shí)地面平面越少越好。如果從輸入和輸出焊盤(pán)下方移除接地層，則高速運(yùn)算放大器的性能會(huì)更好。輸入端接地引入的雜散電容加到運(yùn)算放大器的輸入電容上，會(huì)降低相位裕量并導(dǎo)致不穩(wěn)定。從寄生參數(shù)討論中可以看出，運(yùn)算放大器輸入端的1 pF電容會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的峰值。輸出端的電容負(fù)載（包括電流）在反饋環(huán)路中產(chǎn)生極點(diǎn)。這會(huì)降低相位裕量并可能導(dǎo)致電路變得不穩(wěn)定。

模擬和數(shù)字電路（包括接地層和接地層）應(yīng)盡可能分開(kāi)?？焖偕仙禺a(chǎn)生在地平面中流動(dòng)的電流尖峰。這些快速電流尖峰會(huì)產(chǎn)生噪聲，可能會(huì)破壞模擬性能。模擬和數(shù)字接地（和電源）應(yīng)連接在一個(gè)公共接地點(diǎn)，以最大限度地減少循環(huán)數(shù)字和模擬接地電流和噪聲。

在高頻率下，必須考慮稱(chēng)為趨膚效應(yīng)的現(xiàn)象。趨膚效應(yīng)導(dǎo)致電流在導(dǎo)體的外表面中流動(dòng)，從而使導(dǎo)體變窄，從而使電阻從其dc值增加。雖然趨膚效應(yīng)超出了本文的范圍，但銅的皮膚深度（厘米）的近似值很好

不太敏感的電鍍金屬有助于減少皮膚效應(yīng)。

打包

運(yùn)算放大器通常以各種封裝形式提供。選擇的封裝會(huì)影響放大器的高頻性能。主要影響是寄生效應(yīng)（前面提到）和信號(hào)路由。在這里，我們將重點(diǎn)介紹將輸入，輸出和電源路由到放大器。

圖9顯示了SOIC封裝（a）中的運(yùn)算放大器與SOT-23封裝（b）中的運(yùn)算放大器之間的布局差異。每種包裝類(lèi)型都有其自身的挑戰(zhàn)。關(guān)注（a），仔細(xì)檢查反饋路徑表明有多種選擇來(lái)路由反饋。保持跟蹤長(zhǎng)度是最重要的。反饋中的寄生電感可能導(dǎo)致振鈴和過(guò)沖。在圖9（a）和9（b）中，反饋路徑圍繞放大器布線(xiàn)。圖9（c）顯示了另一種方法 - 在SOIC封裝下布線(xiàn)反饋路徑 - 這最小化了反饋路徑長(zhǎng)度。每個(gè)選項(xiàng)都有細(xì)微差別。第一種選擇可能會(huì)導(dǎo)致走線(xiàn)長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，串聯(lián)電感增加。第二種選擇使用過(guò)孔，這可能會(huì)引入寄生電容和電感。在鋪設(shè)電路板時(shí)必須考慮這些寄生效應(yīng)的影響和影響。SOT-23布局幾乎是理想的：最小反饋?zhàn)呔€(xiàn)長(zhǎng)度和使用過(guò)孔; 負(fù)載和旁路電容器通過(guò)短路徑返回同一接地連接; 正極軌電容器（圖9（b）中未示出）直接位于電路板底部的負(fù)軌電容器下方。

圖9.運(yùn)算放大器電路的布局差異 （a）SOIC封裝，（b）SOT-23，以及（c）在板下具有RF的SOIC。

低失真放大器引腳排列：一些新的低失真引腳排列，可用于某些ADI公司的運(yùn)算放大器（例如AD8045），有助于消除前面提到的兩個(gè)問(wèn)題; 它還改善了其他兩個(gè)重要領(lǐng)域的表現(xiàn)。LFCSP的低失真引腳排列（如圖10所示）采用傳統(tǒng)運(yùn)算放大器引腳排列，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。

圖10.具有低失真引腳排列的運(yùn)算放大器。

低失真引腳排列允許輸出（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)化了布局并簡(jiǎn)化了布局。

圖11. AD8045低失真運(yùn)算放大器的PCB布局

另一個(gè)好處是降低了二次諧波失真。傳統(tǒng)運(yùn)算放大器引腳配置中二次諧波失真的一個(gè)原因是同相輸入和負(fù)電源引腳之間的耦合。LFCSP封裝的低失真引腳排列消除了這種耦合，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封裝之間的失真性能差異。

該封裝還具有另一個(gè)優(yōu)勢(shì) - 功耗。LFCSP提供裸露焊盤(pán)，可降低封裝的熱阻，并可將θJA提高約40％。憑借其較低的熱阻，該設(shè)備運(yùn)行溫度更低，從而提高了可靠性

圖12. AD8099失真比較 - 與SOIC和LFCSP封裝相同的運(yùn)算放大器。

目前，三款A(yù)DI公司的高速運(yùn)算放大器均采用新型低失真引腳排列：AD8045，AD8099和AD8000。

路由和屏蔽

電路板上存在各種模擬和數(shù)字信號(hào)，具有高電壓和低電壓以及直流至GHz的電流。保持信號(hào)彼此干擾可能很困難。

回顧“不信任任何人”的建議，至關(guān)重要的是要提前考慮如何在電路板上處理信號(hào)的計(jì)劃。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)保持其完整性。接地層為電信號(hào)提供公共參考點(diǎn)，它們也可用于屏蔽。當(dāng)需要信號(hào)隔離時(shí)，第一步應(yīng)該是提供信號(hào)走線(xiàn)之間的物理距離。以下是一些需要遵守的良好做法：

最大限度地減少長(zhǎng)并行運(yùn)行和同一板上信號(hào)走線(xiàn)的緊密接近將減少電感耦合。最小化相鄰層上的長(zhǎng)跡線(xiàn)將阻止電容耦合。

需要高隔離度的信號(hào)走線(xiàn)應(yīng)在不同的層上布線(xiàn)，并且如果它們不能完全隔開(kāi)，則應(yīng)在其間具有接地平面的情況下彼此正交。正交布線(xiàn)將使電容耦合最小化，并且接地將形成電屏蔽。該技術(shù)用于形成受控阻抗線(xiàn)。

高頻（RF）信號(hào)通常在受控阻抗線(xiàn)上運(yùn)行。也就是說(shuō)，跡線(xiàn)保持特征阻抗，例如50歐姆（在RF應(yīng)用中典型）。兩種常見(jiàn)類(lèi)型的受控阻抗線(xiàn)，微帶線(xiàn)和帶狀線(xiàn)都可以產(chǎn)生類(lèi)似的結(jié)果，但具有不同的實(shí)現(xiàn)方式。

微帶控制阻抗線(xiàn)，如圖13所示，可以在電路板的任一側(cè)運(yùn)行; 它使用緊鄰其下方的地平面作為參考平面。

圖13.微帶傳輸線(xiàn)。

公式6可用于計(jì)算FR4板的特征阻抗。

H是從地平面到信號(hào)軌跡的距離，W是走線(xiàn)寬度，T是走線(xiàn)厚度; 所有尺寸均以密耳（英寸×10 -3）為單位。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）使用兩層接地層，信號(hào)跡線(xiàn)夾在它們之間。這種方法使用更多的跡線(xiàn)，需要更多的電路板層，對(duì)電介質(zhì)厚度變化敏感，并且成本更高 - 因此它通常僅用于要求苛刻的應(yīng)用中。

圖14.帶狀線(xiàn)控制阻抗線(xiàn)。

帶狀線(xiàn)的特征阻抗設(shè)計(jì)方程如公式7所示。

保護(hù)環(huán)或“防護(hù)”是與運(yùn)算放大器一起使用的另一種常見(jiàn)屏蔽類(lèi)型; 它用于防止雜散電流進(jìn)入敏感節(jié)點(diǎn)。該原理是直接的 - 完全圍繞敏感節(jié)點(diǎn)，其中保護(hù)導(dǎo)體保持在或者被驅(qū)動(dòng)到（在低阻抗下）與敏感節(jié)點(diǎn)相同的電位，并因此從雜散節(jié)點(diǎn)吸收雜散電流。圖15（a）顯示了反相和同相運(yùn)算放大器配置的保護(hù)環(huán)原理圖。圖15（b）顯示了SOT-23-5封裝的兩個(gè)保護(hù)環(huán)的典型實(shí)現(xiàn)。

圖15.保護(hù)環(huán)。（a）倒置和非倒置操作。（b）SOT-23-5包。

屏蔽和布線(xiàn)還有許多其他選擇。建議讀者閱讀以下參考資料，以獲取有關(guān)上述內(nèi)容和其他主題的更多信息。

結(jié)論

智能電路板布局對(duì)于成功的運(yùn)算放大器電路設(shè)計(jì)非常重要，特別是對(duì)于高速電路。良好的原理圖是良好布局的基礎(chǔ); 電路設(shè)計(jì)師和布局設(shè)計(jì)師之間的緊密協(xié)調(diào)至關(guān)重要，特別是在零件和布線(xiàn)的位置方面。需要考慮的主題包括電源旁路，最小化寄生效應(yīng)，使用接地層，運(yùn)算放大器封裝的影響以及布線(xiàn)和屏蔽方法。