寄生效應

　　所謂寄生效應就是那些溜進你的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。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)原設計圖，(b)考慮寄生效應后的圖。

 

　　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，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，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)，足以造成持續的低壓振蕩，會持續到整個瞬態響應周期。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

 

　　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設計布線時一定要時刻保持戒備的原因，要將寄生效應的影響降至最小。

 

接地平面

　　實際上需要討論的內容遠不止本文提到的這些，但是我們會重點突出一些關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有一層應該專門用作接地平面。這樣當整個平面不被破壞時才會產生最好的結果。千萬不要挪用此專用層中接地平面的區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，從而造成不穩定性。正如在寄生效應一節的討論中所看到的，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——造成了反饋環路中的極點。這會降低相位裕量并造成電路變得不穩定。

　　如果有可能的話，模擬電路和數字電路——包括各自的地和接地平面——應該分開。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。模擬地和數字地(以及電源)應該被連接到一個共用的接地點以便降低循環流動的數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”的現象。趨膚效應會引起電流流向導線的外表面——結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。