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寄生效應(yīng)

　　所謂寄生效應(yīng)就是那些溜進(jìn)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(guò)長(zhǎng)形成的寄生電感;焊盤(pán)到地、焊盤(pán)到電源平面和焊盤(pán)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(yīng)。圖3(a)示出了一個(gè)典型的同相運(yùn)算放大器原理圖。但是，如果考慮寄生效應(yīng)的話，同樣的電路可能會(huì)變成圖3(b)那樣。

　　

　　

圖3. 典型的運(yùn)算放大器電路，(a)原設(shè)計(jì)圖，(b)考慮寄生效應(yīng)后的圖。

 

　　在高速電路中，很小的值就會(huì)影響電路的性能。有時(shí)候幾十個(gè)皮法(pF)的電容就足夠了。相關(guān)實(shí)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(jiàn)圖4)。如果寄生電容足夠大的話，它會(huì)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(dāng)尋找有問(wèn)題的寄生源時(shí)，可能用得著幾個(gè)計(jì)算上述那些寄生電容尺寸的基本公式。公式(1)是計(jì)算平行極板電容器(見(jiàn)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(duì)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(yīng)，它是由于印制線過(guò)長(zhǎng)或缺乏接地平面引起的。式(2)示出了計(jì)算印制線電感(Inductance)的公式。參見(jiàn)圖6。

　　

 

　　W表示印制線寬度，L表示印制線長(zhǎng)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(yùn)算放大器同相輸入端長(zhǎng)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(huì)持續(xù)到整個(gè)瞬態(tài)響應(yīng)周期。圖7還示出了如何利用接地平面來(lái)減小寄生電感的影響。

　　

圖7. 有接地平面和沒(méi)有接地平面的脈沖響應(yīng)

 

　　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(jì)算寄生電感的公式(參見(jiàn)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(jì)算通孔(參見(jiàn)圖8)引起的寄生電容值。

 

　　εr 表示PCB材料的相對(duì)磁導(dǎo)率。T表示PCB的厚度。D1表示環(huán)繞通孔的焊盤(pán)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(gè)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(shè)計(jì)布線時(shí)一定要時(shí)刻保持戒備的原因，要將寄生效應(yīng)的影響降至最小。

 

接地平面

　　實(shí)際上需要討論的內(nèi)容遠(yuǎn)不止本文提到的這些，但是我們會(huì)重點(diǎn)突出一些關(guān)鍵特性并鼓勵(lì)讀者進(jìn)一步探討這個(gè)題。本文的最后列出有關(guān)的參考文獻(xiàn)。

　　接地平面起到公共基準(zhǔn)電壓的作用，提供屏蔽，能夠散熱和減小寄生電感(但它也會(huì)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(shí)現(xiàn)時(shí)也必須小心，因?yàn)樗鼘?duì)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(yīng)該專(zhuān)門(mén)用作接地平面。這樣當(dāng)整個(gè)平面不被破壞時(shí)才會(huì)產(chǎn)生最好的結(jié)果。千萬(wàn)不要挪用此專(zhuān)用層中接地平面的區(qū)域用于連接其它信號(hào)。由于接地平面可以消除導(dǎo)體和接地平面之間的磁場(chǎng)，所以可以減小印制線電感。如果破壞接地平面的某個(gè)區(qū)域，會(huì)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?yàn)榻拥仄矫嫱ǔ＞哂泻艽蟮谋砻娣e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(huì)選擇電阻最小的路徑，但是在高頻段，電流會(huì)選擇阻抗最小的路徑。

　　然而也有例外，有時(shí)候小的接地平面會(huì)更好。如果將接地平面從輸入或者輸出焊盤(pán)下挪開(kāi)，高速運(yùn)算放大器會(huì)更好地工作。因?yàn)樵谳斎攵说慕拥仄矫嬉氲募纳娙荩?增加了運(yùn)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(yīng)一節(jié)的討論中所看到的，運(yùn)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(fù)載——包括寄生的容性負(fù)載——造成了反饋環(huán)路中的極點(diǎn)。這會(huì)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(yīng)該分開(kāi)。快速的上升沿會(huì)造成電流毛刺流入接地平面。這些快速的電流毛刺引起的噪聲會(huì)破壞模擬性能。模擬地和數(shù)字地(以及電源)應(yīng)該被連接到一個(gè)共用的接地點(diǎn)以便降低循環(huán)流動(dòng)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(yīng)”的現(xiàn)象。趨膚效應(yīng)會(huì)引起電流流向?qū)Ь€的外表面——結(jié)果會(huì)使得導(dǎo)線的橫截面變窄，因此使直流(DC)電阻增大。雖然趨 膚效應(yīng)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(gè)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(yīng)。