[MUSIKKSPILLING]
Hei og velkommen til TI
Precision Lab -serien om PCB
-layoutsteknikker for forsterkere.
I dette foredraget vil vi gi en
introduksjon til op -amp -oppsett
og diskutere noen av de
parasittiske effektene knyttet
til PCB -spor og
hvordan vi skal håndtere dem.
Når det gjelder
analoge kretser,
kan oppsettfasen etter
den skjematiske
designen føles som en ettertanke.
Enda verre, fristelsen til å
hoppe helt over prototypetrinnet
kan være
sterk, spesielt når
tidsfrister er stramme.
Men det er viktig å huske
at en ikke-ideell layout kan
ha katastrofale
konsekvenser for et prosjekt
og oppveie mange timers
forsiktig kretsdesign.
Så det er vel verdt tiden å gå
gjennom gode layoutteknikker
og bekrefte ens
design med prototyper.
Riktig op -amp -oppsett
innebærer mange gode fremgangsmåter.
Heldigvis overlapper mange
av disse konseptene
med de mer
generelle teknikkene som
brukes i analoge brettoppsett.
Så å lære det ene
forsterker
vanligvis det andre.
I denne presentasjonen vil
vi se
på viktigheten av korte
spor og reduksjon
av tilhørende
parasittiske impedanser.
Deretter diskuterer vi
parallelle spor
og deres potensielle problemer.
Til slutt dekker vi
følsomheten til banen
fra op -forsterkerens inverterende
inngang til utgangsnoden.
Dette er et emne som
er spesielt for op
amp -oppsett, og ikke
analoge oppsett, generelt.
For hver teknikk vil vi også
undersøke minst ett eksempeloppsett
for å se hvordan teorien
kan brukes i praksis.
Det første
rådet for op amp -oppsett
er at spor skal
holdes så korte som mulig.
Lengre spor kan introdusere
uønsket parasittmotstand,
kapasitans og induktans.
Disse effektene er
vanligvis uønskede
og kan ha
negative konsekvenser
for signalintegriteten.
Utvidelse av et spor vil
redusere parasittmotstanden,
selv om det kan komme på
bekostning av økt parasittisk
kapasitans hvis det
er spor eller metallisk kjerne
på et tilstøtende lag.
Vi dekker formlene
for parasittisk kapasitans
senere i denne presentasjonen.
Vær foreløpig oppmerksom på at
spor generelt blir bredere
når de forventes å bære
større strømnivåer.
For PCB -spor er den assosierte
parasittmotstanden
gitt ved formelen
R er lik rho ganger L
over små t
ganger W multiplisert
med mengden 1 pluss alfa
ganger mengden kapital
T minus 25 grader
Celsius, hvor
R er den totale motstanden, rho
er resistiviteten til metallsporet
, L og W
er sporets lengde og bredde
i den
rekkefølgen, små bokstaver
er tykkelsen
på sporet, alfa
er
kurvens temperaturkoeffisient,
og hovedstaden T er
temperaturen i Celsius.
For denne og andre
nyttige PCB -formler,
sjekk onlineversjonen av
TI's Analog Engineer's Pocket
Reference Guide.
La oss nå se
på et enkelt eksempel.
Til venstre er det en
åtte-pinners, to-kanals op-forsterker.
Området i rødt er
det øverste metallaget.
Området i blått er
det nederste metallaget.
Det lilla området viser
hvor disse lagene
overlapper med
grunnplanet på både
det første og andre laget.
Den inverterende
inngangsnoden til kanal B
er notert som B i minus.
Kan du oppdage et
potensielt problem her?
Du har kanskje lagt merke til at dette
sporet er merkbart lengre
enn de andre sporene og
introduserer parasittisk impedans
i kretsen.
Avhengig av kretsen
og noden som er involvert, kan
dette
påvirke ytelsen til kretsen eller ikke.
Imidlertid blir den inverterende
inngangen vanligvis
tenkt på som en sensitiv node.
Så det er en god idé å forkorte
dette sporet, hvis det er mulig.
Til høyre kan du se
at problemet med det lange sporet
kan løses ved å
omplassere Rf -komponenten slik
at løpet nå har en
kortere vei til pinnen.
En annen viktig
layoutteknikk
er å unngå parallelle
spor når det er mulig.
Husk at spor
på en PCB er metalliske.
Og parallelle metallplater
med en isolator i mellom
danner en kondensator.
Så når to spor
går parallelt,
enten på samme plan
eller på tilstøtende fly
, skaper de en
parasittisk kapasitans.
Dette kan føre til
uønsket kobling av signaler
fra et spor til et annet.
For parallelle spor
på samme lag er
den assosierte
parasittiske
kapasitansen gitt ved
formelen C er lik ktl
over d hvor C er den
totale kapasitansen,
k er permittiviteten
til ledig plass,
t og l er tykkelsen
og lengden på
sporene, og d er
avstanden mellom sporets nære
kanter.
På samme måte, når to spor
er på tilstøtende bokstaver
, danner de en kapasitans
beskrevet med formelen
C er lik epsilon sub r
ganger wl over h der C
er den totale kapasitansen, k
er permittiviteten til ledig plass,
epsilon sub r er dielektrikumet
konstant for det isolerende PCB
-materialet ofte, fr4, w og
l er henholdsvis bredden og lengden
på sporene,
og h er avstanden
mellom flyene.
Disse og andre formler
for PCB -parasittiske effekter
finnes i Analog
Engineer's Pocket Reference
Guide.
På samme måte kan et spor danne
en parasittisk kapasitans
med et parallelt metallisk
lag som helles på det samme laget
eller på et tilstøtende lag.
For eksempel, hvis
laget under en signalbane
er et solid jordplan,
kan det dannes en parasittisk kapasitans fra
signalbanen til bakken.
Ofte er denne
effekten ubetydelig.
Men for veldig lange spor
eller sensitive noder kan
det være et problem.
En ting til å merke seg er
at parallelle spor kan
oppleve induktiv kobling.
En endring av strøm i en ledning
genererer et magnetfelt.
Og dette
magnetfeltet kan igjen
generere strøm
i ledende sløyfer i nærheten.
Dette er en konsekvens
av Faradays lov.
Og effekten er sterkere
når avstandene som
er involvert er kortere, noe
som betyr at parallelle spor kan
være utsatt for dette problemet.
Vær oppmerksom på at dette er
en større bekymring
for høyhastighets signaler.
Så du må være forsiktig og
unngå å plassere analoge spor
i dine digitale spor.
Dette emnet vil bli
utvidet i presentasjonen med tittelen
Op Amp PC Layout
Grounding and Bypass.
La oss nå gå tilbake til
det første eksemplet.
Vi la først merke til at den
inverterende inngangen til kanal B,
også kjent som
summeringsnoden, har en lang bane.
Når vi vet hva vi nå vet,
er det potensial
for et ekstra problem her.
Du har kanskje lagt merke til at
de markerte sporene
går parallelt.
Siden sporene
er metalliske,
fungerer de som kapasitive plater og kan
tillate uønsket signalkobling.
Dette er generelt dårlig
for to signaler.
Men det er spesielt
farlig når sporene
går til in minus
og output pins,
som vi vil dekke
i neste tema.
Akkurat som spørsmålet om
det lange i minus -sporet
ble løst ved å flytte
Rf -komponenten, kan det også
løse problemet med A ut
og B i minusspor som går
parallelt, dessverre
er det ikke alltid
mulig eller praktisk
å omorganisere komponenter
i en slik måte.
Noen ganger gjør plassbegrensninger det
vanskelig å implementere slike layoutstrategier.
I tilfeller der parallelle spor
er noe uunngåelig, kan
en annen
tilnærming brukes.
Her er et eksempel på
en alternativ løsning.
Først skilles sporene
så mye som mulig.
Deretter får bakken
på det øverste laget
i rødt
løpe mellom sporene.
Bakken hell fungerer som et
skjold for å forhindre kobling
mellom signalsporene.
For ytterligere
beskyttelse kan
bakkevias også plasseres
her for å sikre
at spenningen på dette
punktet i grunnplanet
er felles for spenningen
til grunnplanet
på bunnlaget i blått.
Således, for tilfeller der det
må brukes parallelle spor, er
jordskjerming med
et jordplan og
vias et levedyktig alternativ.
Som nevnt i det
forrige eksemplet, er
noe som er
spesielt for op -amp -oppsett
viktigheten
av in -minus -pinnen.
In -minus -pinnen,
eller summeringsnoden,
styrer den negative
tilbakemeldingen for forsterkeren.
Hvis signalet
og tilbakemeldingsbanen
støter på store impedanser,
vil fasen i tilbakemeldingsbanen
skifte overdrevent.
Dette kan tenkes som
en forsinkelse i signalbanen.
Etter hvert som effekten blir
verre, vil
utgangen vise lengre og
lengre responstid
med større overskridelse.
Til slutt vil
faseskiftet være så dårlig
at forsterkerens tilbakemelding
vil bli positiv i stedet
for negativ,
og utgangen vil begynne
å svinge ukontrollert.
Dette uønskede resultatet
omtales som ustabilitet
og forklares mye mer
detaljert i TI Precision Lab
-serien om op amp -stabilitet.
For å forhindre ustabilitet er
det viktig
at den sensitive
signalbanen fra
utpinnen til in -minus -pinnen holdes
så ren for parasittiske effekter
som mulig.
Utgangsstiften er generelt i
stand til å drive litt lastkapasitans
, mens
inngangspinnen som en veldig lav
inngangskapasitans, av natur.
Vanligvis er forsterkerens
inngangskapasitans i størrelsesorden
noen få picofarads.
Så in -minus -pinnen er mer
følsom enn utgangspinnen.
Og det er spesielt viktig
at parasittkapasitansen
holdes utenfor den inverterende inngangen.
For å gjøre dette, hold sporene
til minus -pinnen kort,
og unngå å plassere
vias langs stien.
Plasser også alle passive, diskrete
komponenter nær tappen.
Om nødvendig kan du velge
å fjerne grunnplanet
på lagene under i minuspinne.
Vær oppmerksom på at på grunn av
den store båndbredden
er høyhastighetsforsterkere mer
utsatt for ustabilitet
fra parasittisk impedans
enn de fleste forsterkere.
På dette lysbildet kan du se hvordan
en liten parasittisk kapasitans
på summeringsnoden kan
skape en stor
overskridelsesrespons på utgangen.
Vær imidlertid oppmerksom på
at OPA818
har en veldig høy båndbredde.
Og de fleste forsterkere vil
ikke være så følsomme.
Dette er imidlertid et godt eksempel for
å illustrere viktigheten
av å holde denne noden ren.
La oss vurdere et annet eksempel
med en åtte-pinners to-kanals
op-forsterker.
Som du kan se
, kommer inngangen
fra venstre til den
ikke-inverterende inngangspinnen
eller i pluss.
Og utgangen mates tilbake
til den inverterende inngangspinnen,
eller i minus.
Ta deg tid til å
se på oppsettet.
Ser du noen tegn
på potensielle problemer?
Du har kanskje lagt merke til at
banen fra pad en av Rf
-komponenten til minus
-pinnen er relativt lang.
Veien fra ut til
i minus er sensitiv.
Og det er viktig å holde
sporene inn i minus -pinnen så
kort som mulig.
I dette tilfellet
samhandler metallsporet med
metallplanet på bunnlaget for
å danne en kapasitans
fra sporet til bakken.
Dette betyr at det er
en avvikende kapasitans
på minus -pinnen.
Denne parasittiske
kapasitansen vil vanligvis
være i størrelsesorden
picofarads og er
mindre sannsynlig å være et
problem på utgangsstiften.
Imidlertid vil minus
-pinnen ha en naturlig
inngangskapasitans i
størrelsesorden noen få picofarad.
Så en villkommen kapasitans kan
være et betydelig tillegg.
Dette kan føre til
stabilitetsproblemer,
spesielt når du designer
med høyhastighets op-forsterkere.
Til høyre er en forbedret
versjon av oppsettet.
Legg merke til at Rf -komponenten
har blitt flyttet
nærmere den inverterende inngangspinnen.
Selv om sporet
fra utgangspinnen er lengre
, er sporet som går inn i
minuspinnen nå mye kortere.
Dette reduserer
parasittkapasitansen drastisk i minuspinne.
I tillegg er
grunnplanet på det andre
laget fjernet
under minus -sporet.
Dette bidrar også til å fjerne
parasittisk
kapasitans i minus.
Imidlertid kan det bare være
nødvendig for svært følsomme
kretser.
Det er forskjellige
teknikker som brukes
for å lage gode op-amp-oppsett.
Og mange av dem overlapper generelt med et
godt analogt oppsett.
I denne presentasjonen
dekket vi de som
har å gjøre med parasittisk
impedans på signalspor.
Oppsummert, sørg for at du bruker
korte spor når det er mulig.
Unngå også å plassere
spor parallelt.
Eller skjerm sporene når du
setter dem parallelt
er uunngåelig.
Til slutt minimerer du den
parasittiske kapasitansen
på op-amp summeringsnoden
, spesielt
sett i minuspinnen.
Vi vil utvide disse
ideene i Op Amp
metal core pcb Layout
Grounding and Bypass hvor vi
vil se på separering av
analoge og digitale
signaler, jording
og bypass -kondensatorer.
Det er alt for nå.
Takk for at du så på.