寄生效應(yīng)

　　所謂寄生效應(yīng)就是那些溜進你的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長形成的寄生電感;焊盤到地、焊盤到電源平面和焊盤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)示出了一個典型的同相運算放大器原理圖。但是，如果考慮寄生效應(yīng)的話，同樣的電路可能會變成圖3(b)那樣。

　　

　　

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

 

　　在高速電路中，很小的值就會影響電路的性能。有時候幾十個皮法(pF)的電容就足夠了。相關(guān)實例：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(見圖4)。如果寄生電容足夠大的話，它會引起電路的不穩(wěn)定和振蕩。

　　

圖4. 由寄生電容引起的附加尖脈沖

 

　　當尋找有問題的寄生源時，可能用得著幾個計算上述那些寄生電容尺寸的基本公式。公式(1)是計算平行極板電容器(見圖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)，它是由于印制線過長或缺乏接地平面引起的。式(2)示出了計算印制線電感(Inductance)的公式。參見圖6。

　　

 

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

　　

圖7. 有接地平面和沒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)是計算寄生電感的公式(參見圖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)示出了如何計算通孔(參見圖8)引起的寄生電容值。

 

　　εr 表示PCB材料的相對磁導率。T表示PCB的厚度。D1表示環(huán)繞通孔的焊盤直徑。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)計布線時一定要時刻保持戒備的原因，要將寄生效應(yīng)的影響降至最小。

 

接地平面

　　實際上需要討論的內(nèi)容遠不止本文提到的這些，但是我們會重點突出一些關(guān)鍵特性并鼓勵讀者進一步探討這個題。本文的最后列出有關(guān)的參考文獻。

　　接地平面起到公共基準電壓的作用，提供屏蔽，能夠散熱和減小寄生電感(但它也會增加寄生電容)的功能。雖然使用接地平面有許多好處，但是在實現(xiàn)時也必須小心，因為它對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)該專門用作接地平面。這樣當整個平面不被破壞時才會產(chǎn)生最好的結(jié)果。千萬不要挪用此專用層中接地平面的區(qū)域用于連接其它信號。由于接地平面可以消除導體和接地平面之間的磁場，所以可以減小印制線電感。如果破壞接地平面的某個區(qū)域，會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。

　　因為接地平面通常具有很大的表面積和橫截面積，所以使接地平面的電阻保持最小值。在低頻段，電流會選擇電阻最小的路徑，但是在高頻段，電流會選擇阻抗最小的路徑。

　　然而也有例外，有時候小的接地平面會更好。如果將接地平面從輸入或者輸出焊盤下挪開，高速運算放大器會更好地工作。因為在輸入端的接地平面引入的寄生電容， 增加了運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。輸出端的容性負載——包括寄生的容性負載——造成了反饋環(huán)路中的極點。這會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。快速的上升沿會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)該被連接到一個共用的接地點以便降低循環(huán)流動的數(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)會引起電流流向?qū)Ь€的外表面——結(jié)果會使得導線的橫截面變窄，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)。