John Ardizzoni började år 2002 som Application Engineer i High Speed Amplifier Group på Analog Devices. Dessförinnan arbetade han för IBM med RFIC Applikationer och på M/A-COM som designingenjör. John Ardizzoni har över 25 års yrkeserfarenhet inom elektronikindustrin och har skrivit en stor rad artiklar inom ämnet.

När operationsförstärkare arbetar på RF-frekvenser så beror kretsens prestanda i hög grad på mönsterkortets layout. En avancerad kretskonstruktion kan på papperet se hur bra ut som helst, men om layouten är ogenomtänkt eller slarvig, kan prestanda i själva verket bli ganska medioker. Det är därför viktigt att planera sin layout och att uppmärksamma vissa viktiga detaljer.

Man kan visserligen aldrig ge några hundraprocentiga garantier, men en bra layout börjar alltid med ett genomtänkt schema. Var noggrann och ha marginaler. Tänk igenom signalflödet över hela kretsen och kretskortet.

Ta med så mycket information som möjligt. Ett bra schema anger referensbeteckningar, effektförluster och toleranser. Ett superschema lägger till vågformer, mekanisk information om hölje och skyddskåpa, spårlängder och keep-out-ytor. Det anger också inställningsinformation, intervall för komponentvärden, termisk information, linjer med kontrollerad impedans och vilka komponenter som behöver placeras överst på kortet.

Ett superschema innehåller också kommentarer och korta beskrivningar av kretsfunktioner. Listan skulle kunna göras ännu längre. Ingen har någonsin klagat på för mycket information i ett layoutschema. För lite, ja. För mycket, aldrig.

Om du inte själv ansvarar för layouten är det viktigt att du sätter av tid för att gå igenom konstruktionen med den layoutansvarige. Räkna inte med att layoutaren kan läsa dina tankar. Din återkoppling och vägledning är som viktigast i början av layoutprocessen. Ju mer information du kan ge och ju aktivare du deltar i layoutprocessen, desto bättre blir kortet.

• Dina anvisningar till konstruktören bör omfatta följande:
• en skiss över kortet med markerade in- och utgångar
• kortets stack up, det vill säga kortets slutliga tjocklek, antal lager, uppgifter om signallager och plan - effekt, jord, analog, digital och rf
• vilka signaler som behöver finnas med i varje lager
• var de viktigaste komponenterna ska placeras
• det exakta läget för avkopplingskomponenter
• vilka spår som är kritiska
• vilka linjer som måste ha kontrollerad impedans
• vilka linjer som måste ha samma längd
• komponentstorlekar
• vilka spår respektive kretsar som måste separeras från, eller ligga nära, varandra
• vilka komponenter som behöver ligga nära varandra, eller långt ifrån
• vilka komponenter som ska placeras överst respektive underst på kortet.

Om detta blir rätt redan från början sänks kostnaderna - liksom stressfaktorn - och cykeltiden förkortas.

Du bör avkoppla strömförsörjningen vid förstärkarens strömförsörjningskontakter. Då minimerar du bruset vilket är viktigt i snabba operationsförstärkare och andra höghastighetskretsar.

Skena-till-skena är en möjlighet, men skena-till-jord fungerar oftast bäst. Det innebär att man kopplar flera olika kondensatorer parallellt från operationsförstärkarens strömingångar direkt till jord (se Figur 2). Två kondensatorer brukar räcka, men det kan behövas fler.

Genom att synkronisera värdena på de parallella kondensatorerna sänker man AC-impedansen på strömingångarna över ett brett frekvensband. Detta är särskilt viktigt vid frekvenser där operationsförstärkarens power-supply rejection (PSR) avtar - kondensatorerna kompenserar för detta. Genom att upprätthålla en väg med låg impedans till jord i flera frekvensdekader, kan man hindra brus från att leta sig in i operationsförstärkaren.

Figur 1 Kondensatorimpedanser

Figur 1 visar hur parallellkondensatorerna kompletterar varandra. Vid låga frekvenser ger de stora kondensatorerna en väg med låg impedans till jord medan de små har bättre svar i höga frekvenser. När kondensatorerna når självresonans sjunker deras kapacitiva egenskaper och de blir induktiva. Det är därför det är viktigt att använda multipla kondensatorer: när den ena kondensatorns frekvenssvar avtar, blir den andras signifikant.

Kondensatorn med det lägsta värdet och den minsta fysiska storleken bör placeras vid operationsförstärkarens strömingångar och på samma sida av kortet som operationsförstärkaren - och så nära förstärkaren som möjligt. Kondensatorns jordsida bör anslutas till jordplanet med kortast möjliga längd på ben eller spår. Denna jordanslutning bör även ligga så nära förstärkarens last som möjligt för att minimera störningarna mellan skena och jord.

Upprepa processen för kondensatorn med närmast högre värde. En bra idé är att använda 0,01 µF som lägsta värde och en 2,2 µF eller större elektrolyt med låg ESR som nästa kondensator. En 0,01 µF-kondensator i en 0508-kapsel ger en låg serieinduktans och har utmärkt högfrekvensprestanda.

Alla kretsar och layouter är unika, så konfiguration, antal och värden på kondensatorerna bestäms alltid av de faktiska kretskraven.

De kallas parasiter, alla de småtroll som kryper in i mönsterkortet (nästan bokstavligen) och orsakar förödelse.

En typ av parasit är de induktanser som formas av kapselns ben och för långa anslutningsledningar på mönsterkortet. En annan parasit är kapacitanserna mellan lödöar och jord, spår och effektplan. En tredje är interaktion med vior.

Figur 3 Parasitkapacitans höjer topp

I höghastighetskretsar krävs det inte mycket för att parasiterna ska påverka kretsens prestanda. Det kan räcka med en förändring på några tiondels pikofarad. För att ge ett exempel: en enda pF extra parasitkapacitans vid förstärkarens inverterande ingång kan ge ett nästan 2 dB högre toppvärde i frekvensdomänen (Figur 3).

Läckkapacitansen som formas av jord- eller effektplan och förstärkarens lödö vid den inverterande ingången, adderas till operationsförstärkarens ingångskapacitans, vilket sänker fasmarginalen och eventuellt leder till höjda toppnivåer och instabilitet.

I sökandet efter källorna till de problematiska parasiterna kan det vara bra med några enkla formler för beräkning av storleken på gremlingarna.

Ekvation 1 är formeln för en plattkondensator. C är kapacitansen, A är plattans yta (monteringsfäste, spår) i cm², k är kortmaterialets relativa dielektriska konstant och d är avståndet mellan plattorna i centimeter.

Strip-induktans, som är resultatet av för långa spår, är en annan parasit som måste tas med i beräkningen. Ekvation 2 visar formeln för spårinduktans. Till och med induktans på några få nH är tillräckligt för att introducera ringning och översläng i ett transientsvar. W är spårbredden, L är spårlängden och H är tjockleken på spåret. Samtliga mått är i millimeter.

Vior är ytterligare en källa till parasiter. De kan introducera såväl induktans som kapacitans. Ekvation 3 är formeln för parasitinduktans. H är höjden på vian och D är diametern på vian i centimeter.

Ekvation 4 visar hur du räknar ut parasitkapacitansen hos en via. ε_r är kortmaterialets relativa permeabilitet. T är tjockleken på kortet. D₁ är diametern på lödningsön som omger vian. D₂ är diametern på det frigående hålet i jordplanet. Samtliga mått är i centimeter.

En ensam via i ett kort med tjockleken 0,157 cm kan tillföra 1,2 nH induktans och 0,5 pF kapacitans.

Lästips från John Ardizzoni Det finns en mängd andra alternativ för avskärmning och routning. Läsaren rekommenderas att gå igenom referenserna för mer information: »An IC Amplifier Userís Guide to Decoupling, Grounding and Making Things Go Right for a Change» av Paul Brokaw. Analog Devices Application Note AN-202 . »Avoiding Passive-Component Pitfalls» av Doug Grant och Scott Wurcer. Analog Devices Application Note AN-348 . »Careful Design Tames High-Speed Op Amps» av Joe Buxton. Analog Devices Application Note AN-257 . »Grounding for Low- and High-Frequency Circuits» av Paul Brokaw och Jeff Barrow. Analog Devices Application Note AN‑345 . High-Speed Digital Design , a Handbook of Black Magic av Howard W. Johnson och Martin Graham. Prentice Hall, 1993. »Keep High-Speed Circuit Board Layout on Track» av John Ardizzoni. EE Times , May 23, 2005. »Op Amp Applications Handbook» , Walt Jung, ed. Elsevier-Newnes, 2005. »The Data Conversion Handbook» av Kester, Walt, Elsevier-Newnes, 2005 »Proper PC-Board Layout Improves Dynamic Range» av Greg DiSanto. EDN , November 11, 2004.

Ett jordplan fungerar inte bara som en gemensam referensspänning. Det avleder också värme, minskar läckinduktansen och avskärmar. Men det ökar å andra sidan också parasitkapacitansen.

Även om det finns många fördelar med att använda ett jordplan måste man noggrant tänka igenom hur det ska implementeras, eftersom det finns begränsningar för vad det kan och inte kan göra.

I idealfallet bör ett av mönsterkortets lager helt och hållet reserveras för jordplanet. Bäst blir det om hela planet är obrutet.

Motstå frestelsen att använda ytor för routning av andra signaler. Jordplanet minskar nämligen spårinduktansen genom att undertrycka magnetfältet mellan ledaren och jordplanet. När ytor tas bort från jordplanet kan oväntad parasitinduktans introduceras i spåren.

Eftersom jordplanet i normalfallet har stor yta och stora tvärsnittsytor ligger dess resistans på ett minimum. Vid låga frekvenser tar strömmen den väg som har lägst motstånd, men vid höga frekvenser följer strömmen istället den väg som har lägst impedans.

Det finns dock undantag från ovanstående regler. Prestandan hos snabba operationsförstärkare förbättras om jordplanet tas bort under ingångs- och utgångsportarna. Kapacitiv last vid utgången - inklusive läckströmmar - skapar en topp i återkopplingsslingan. Detta kan minska fasmarginalen och göra kretsen instabil.

Analoga och digitala kretsar, inklusive jord och jordplan, bör om möjligt hållas åtskilda. Snabbt stigande flanker orsakar strömspikar som flödar i jordplanet. Strömspikarna skapar brus som kan försämra den analoga prestandan.

Analog och digital jord och strömförsörjning bör anslutas till en gemensam punkt för att minimera cirkulerande digitala och analoga jordströmmar och brus.

Kretskort rymmer ett stort antal analoga och digitala signaler, med hög- och lågspänningar och strömmar, från dc till GHz. Det kan därför vara svårt att förhindra interferens mellan signalerna.

Det är viktigt att notera vilka signaler som är känsliga, och fastställa vilka åtgärder som måste vidtas för att bibehålla deras integritet. Jordplan fungerar som en gemensam referenspunkt för elektriska signaler och kan även användas för avskärmning.

Här följer några användbara tips:

• Induktiv koppling kan minskas genom minimering av långa parallella ledningsbanor och korta avstånd mellan signalspår på samma kort.
• Kapacitiv koppling kan förhindras genom minimering av långa spår på närliggande skikt.
• Signalspår som kräver hög isolering bör dras på separata skikt och bör - om de inte kan separeras helt - löpa vinkelrätt i förhållande till varandra med ett jordplan emellan. Vinkelrät routning minimerar kapacitiv koppling och jorden fungerar som en elektrisk avskärmning. Denna teknik används i formeringen av ledare med kontrollerad impedans.

Skyddsringar, eller ”guarding” är en annan vanlig typ av skärmning som används i operationsförstärkare (se Figur 4). Skyddsringarna hindrar läckströmmar från att nå känsliga noder. Om den känsliga noden omges helt av en skyddskondensator som hålls på - eller drivs med - samma spänning som den känsliga noden, får man en väg med låg impedans. På så sätt skyddas den känsliga noden mot läckströmmar.

Operationsförstärkare brukar erbjudas i ett flertal kapslingar. Den valda kapslingen kan påverka förstärkarens högfrekvensprestanda. Parasiter är då åter en viktig faktor.

Några av Analog Devices operationsförstärkare har en ny sorts benkonfiguration som ger låg distorsion och förenklar och strömlinjeformar layouten. LFCSP-kapseln utgår från operationsförstärkarens traditionella benkonfiguration, roterar denna moturs ett ben och lägger till ett andra ben för utgång, benämnt dedikerat återkopplingsben. Detta tillåter en extra kort koppling mellan utgången (det dedikerade återkopplingsbenet) och den inverterande ingången, vilket visas i Figur 5. Resultatet är en kompakt och effektivare layout.

Ytterligare en fördel är minskad distorsion. Den nya benkonfigurationen hos LFCSP-kapslingen och den låga distorsion som denna ger, eliminerar +IN till -VS-koppling och minskar markant andra ordningens harmoniska distorsion - i vissa fall med så mycket som 14 dB.

En sista fördel är lägre effektförluster. LFCSP- och SOIC-versionen ger en exponerad paddle (EP), som sänker kapslingens termiska motstånd. Enheten får en lägre drifttemperatur vilket i sin tur ger högre tillförlitlighet.