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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流高速PCB布线实践指南.精品文档.高速PCB布线实践指南PCBTech.Net时间:2008-03-27 22:49来源:美国模拟器件公司点击: 4648次 虽然印制电路板(PCB)布线在高速电路中具有关键的作用，但它往往是电路设计过程的最后几个步骤之一。高速PCB布线有很多方面的问题，关于这个题目已有人撰写了大量的文献。本文主要从实践的角度来探讨高速电路的布线问题。主要目的在于帮助新用户设计高速电路PCB布线时对虽然印制电路板(PCB)布线在高速电路中具有关键的作用，但它往往是电路设计过程的最后几个步骤之一。高速PCB布线有很多方面的问题，
2、关于这个题目已有人撰写了大量的文献。本文主要从实践的角度来探讨高速电路的布线问题。主要目的在于帮助新用户设计高速电路PCB布线时对需要考虑的多种不同问题引起注意。另一个目的是为已经有一段时间没接触PCB布线的客户提供一种复习资料。由于版面有限，本文不可能详细地论述所有的问题，但是我们将讨论对提高电路性能、缩短设计时间、节省修改时间具有最大成效的关键部分。虽然这里主要针对与高速运算放大器有关的电路，但是这里所讨论的问题和方法对用于大多数其它高速模拟电路的布线是普遍适用的。当运算放大器工作在很高的射频(RF)频段时，电路的性能很大程度上取决于PCB布线。“图纸”上看起来很好的高性能电路设计，如果由
3、于布线时粗心马虎受到影响，最后只能得到普通的性能。在整个布线过程中预先考虑并注意重要的细节会有助于确保预期的电路性能。原理图尽管优良的原理图不能保证好的布线，但是好的布线开始于优良的原理图。在绘制原理图时要深思熟虑，并且必须考虑整个电路的信号流向。如果在原理图中从左到右具有正常稳定的信号流，那么在PCB上也应具有同样好的信号流。在原理图上尽可能多给出有用的信息。因为有时候电路设计工程师不在，客户会要求我们帮助解决电路的问题，从事此工作的设计师、技术员和工程师都会非常感激，也包括我们。除了普通的参考标识符、功耗和误差容限外，原理图中还应该给出哪些信息呢？下面给出一些建议，可以将普通的原理图变成一
4、流的原理图。加入波形、有关外壳的机械信息、印制线长度、空白区；标明哪些元件需要置于PCB上面；给出调整信息、元件取值范围、散热信息、控制阻抗印制线、注释、扼要的电路动作描述.以及其它。谁都别信如果不是你自己设计布线，一定要留出充裕的时间仔细检查布线人的设计。在这点上很小的预防抵得上一百倍的补救。不要指望布线的人能理解你的想法。在布线设计过程的初期你的意见和指导是最重要的。你能提供的信息越多，并且整个布线过程中你介入的越多，结果得到的PCB就会越好。给布线设计工程师设置一个暂定的完成点按照你想要的布线进展报告快速检查。这种“闭合环路”方法可以防止布线误入歧途，从而将返工的可能性降至最低。需要给布
5、线工程师的指示包括：电路功能的简短描述，标明输入和输出位置的PCB略图，PCB层叠信息(例如，板子有多厚，有多少层，各信号层和接地平面的详细信息功耗、地线、模拟信号、数字信号和RF信号)；各层需要那些信号；要求重要元件的放置位置；旁路元件的确切位置；哪些印制线很重要；哪些线路需要控制阻抗印制线；哪些线路需要匹配长度；元件的尺寸；哪些印制线需要彼此远离(或靠近)；哪些线路需要彼此远离(或靠近)；哪些元器件需要彼此远离(或靠近)；哪些元器件要放在PCB的上面，哪些放在下面。永远不要抱怨需要给别人的信息太多太少吗？是；太多吗？不。一条学习经验：大约10年前，我设计一块多层的表面贴装电路板板子的两面都
6、有元件。用很多螺钉将板子固定在一个镀金的铝制外壳中(因为有很严格的防震指标)。提供偏置馈通的引脚穿过板子。该引脚是通过焊接线连接到PCB上的。这是一个很复杂的装置。板子上的一些元件是用于测试设定(SAT)的。但是我已经明确规定了这些元件的位置。你能猜出这些元件都安装在什么地方吗？对了，在板子的下面。当产品工程师和技术员不得不将整个装置拆开，完成设定后再将它们重新组装的时候，显得很不高兴。从那以后我再也没有犯过这种错误了。位置正像在PCB中，位置决定一切。将一个电路放在PCB上的什么位置，将其具体的电路元件安装在什么位置，以及其相邻的其它电路是什么，这一切都非常重要。通常，输入、输出和电源的位置
7、是预先确定好的，但是它们之间的电路就需要“发挥各自的创造性”了。这就是为什么注意布线细节将产生巨大回报的原因。从关键元件的位置入手，根据具体电路和整个PCB来考虑。从一开始就规定关键元件的位置以及信号的路径有助于确保设计达到预期的工作目标。一次就得到正确的设计可以降低成本和压力也就缩短了开发周期。旁路电源在放大器的电源端旁路电源以便降低噪声是PCB设计过程中一个很重要的方面包括对高速运算放大器还是其它的高速电路。旁路高速运算放大器有两种常用的配置方法。电源端接地：这种方法在大多数情况下都是最有效的，采用多个并联电容器将运算放大器的电源引脚直接接地。一般说来两个并联电容就足够了但是增加并联电容器
8、可能给某些电路带来益处。并联不同的电容值的电容器有助于确保电源引脚在很宽的频带上只能看到很低的交流(AC)阻抗。这对于在运算放大器电源抑制比(PSR)衰减频率处尤其重要。该电容器有助于补偿放大器降低的PSR。在许多十倍频程范围内保持低阻抗的接地通路将有助于确保有害的噪声不能进入运算放大器。图1示出了采用多个并联电容器的优点。在低频段，大的电容器提供低阻抗的接地通路。但是一旦频率达到了它们自身的谐振频率，电容器的容性就会减弱，并且逐渐呈现出感性。这就是为什么采用多个电容器是很重要的原因：当一个电容器的频率响应开始下降时，另一个电容器的频率响应开始起作用，所以能在许多十倍频程范围内保持很低的AC阻
9、抗。直接从运算放大器的电源引脚入手；具有最小电容值和最小物理尺寸的电容器应当与运算放大器置于PCB的同一面而且尽可能靠近放大器。电容器的接地端应该用最短的引脚或印制线直接连至接地平面。上述的接地连接应该尽可能靠近放大器的负载端以便减小电源端和接地端之间的干扰。图2示出了这种连接方法。对于次大电容值的电容器应该重复这个过程。最好从0.01mF最小电容值开始放置，并且靠近放置一个2.2mF(或大一点儿)的具有低等效串联电阻(ESR)的电解电容器。采用0508外壳尺寸的0.01mF电容器具有很低的串联电感和优良的高频性能。电源端到电源端：另外一种配置方法采用一个或多个旁路电容跨接在运算放大器的正电源
10、端和负电源端之间。当在电路中配置四个电容器很困难的情况下通常采用这种方法。它的缺点是电容器的外壳尺寸可能增大，因为电容器两端的电压是单电源旁路方法中电压值的两倍。增大电压就需要提高器件的额定击穿电压，也就是要增大外壳尺寸。但是，这种方法可以改进PSR和失真性能。因为每种电路和布线都是不同的，所以电容器的配置、数量和电容值都要根据实际电路的要求而定。寄生效应所谓寄生效应就是那些溜进你的PCB并在电路中大施破坏、令人头痛、原因不明的小故障。它们就是渗入高速电路中隐藏的寄生电容和寄生电感。其中包括由封装引脚和印制线过长形成的寄生电感；焊盘到地、焊盘到电源平面和焊盘到印制线之间形成的寄生电容；通孔之间
11、的相互影响，以及许多其它可能的寄生效应。图3(a)示出了一个典型的同相运算放大器原理图。但是，如果考虑寄生效应的话，同样的电路可能会变成图3(b)那样。在高速电路中，很小的值就会影响电路的性能。有时候几十个皮法(pF)的电容就足够了。相关实例：如果在反相输入端仅有1pF的附加寄生电容，它在频率域可以引起差不多2dB的尖脉冲(见图4)。如果寄生电容足够大的话，它会引起电路的不稳定和振荡。当寻找有问题的寄生源时，可能用得着几个计算上述那些寄生电容尺寸的基本公式。公式(1)是计算平行极板电容器(见图5)的公式。C表示电容值，A表示以cm2为单位的极板面积，k表示PCB材料的相对介电常数，d表示以cm
12、为单位的极板间距离。带状电感是另外一种需要考虑的寄生效应，它是由于印制线过长或缺乏接地平面引起的。式(2)示出了计算印制线电感(Inductance)的公式。参见图6。W表示印制线宽度，L表示印制线长度，H表示印制线的厚度。全部尺寸都以mm为单位。图7中的振荡示出了高速运算放大器同相输入端长度为2.54 cm的印制线的影响。其等效寄生电感为29 nH(10-9H)，足以造成持续的低压振荡，会持续到整个瞬态响应周期。图7还示出了如何利用接地平面来减小寄生电感的影响。通孔是另外一种寄生源；它们能引起寄生电感和寄生电容。公式(3)是计算寄生电感的公式(参见图8)。T表示PCB的厚度，d表示以cm为单
13、位的通孔直径。公式(4)示出了如何计算通孔(参见图8)引起的寄生电容值。er表示PCB材料的相对磁导率。T表示PCB的厚度。D1表示环绕通孔的焊盘直径。D2表示接地平面中隔离孔的直径。所有尺寸均以cm为单位。在一块0.157 cm厚的PCB上一个通孔就可以增加1.2 nH的寄生电感和0.5 pF的寄生电容；这就是为什么在给PCB布线时一定要时刻保持戒备的原因，要将寄生效应的影响降至最小。接地平面实际上需要讨论的内容远不止本文提到的这些，但是我们会重点突出一些关键特性并鼓励读者进一步探讨这个问题。接地平面起到公共基准电压的作用，提供屏蔽，能够散热和减小寄生电感(但它也会增加寄生电容)的功能。虽然
14、使用接地平面有许多好处，但是在实现时也必须小心，因为它对能够做的和不能够做的都有一些限制。理想情况下，PCB有一层应该专门用作接地平面。这样当整个平面不被破坏时才会产生最好的结果。千万不要挪用此专用层中接地平面的区域用于连接其它信号。由于接地平面可以消除导体和接地平面之间的磁场，所以可以减小印制线电感。如果破坏接地平面的某个区域，会给接地平面上面或下面的印制线引入意想不到的寄生电感。因为接地平面通常具有很大的表面积和横截面积，所以使接地平面的电阻保持最小值。在低频段，电流会选择电阻最小的路径，但是在高频段，电流会选择阻抗最小的路径。然而也有例外，有时候小的接地平面会更好。如果将接地平面从输入或
15、者输出焊盘下挪开，高速运算放大器会更好地工作。因为在输入端的接地平面引入的寄生电容，增加了运算放大器的输入电容，减小了相位裕量，从而造成不稳定性。正如在寄生效应一节的讨论中所看到的，运算放大器输入端1 pF的电容能引起很明显的尖脉冲。输出端的容性负载包括寄生的容性负载造成了反馈环路中的极点。这会降低相位裕量并造成电路变得不稳定。如果有可能的话，模拟电路和数字电路包括各自的地和接地平面应该分开。快速的上升沿会造成电流毛刺流入接地平面。这些快速的电流毛刺引起的噪声会破坏模拟性能。模拟地和数字地(以及电源)应该被连接到一个共用的接地点以便降低循环流动的数字和模拟接地电流和噪声。在高频段，必须考虑一种
16、称为“趋肤效应”的现象。趋肤效应会引起电流流向导线的外表面结果会使得导线的横截面变窄，因此使直流(DC)电阻增大。虽然趋肤效应超出了本文讨论的范围，这里还是给出铜线中趋肤深度(Skin Depth)的一个很好的近似公式(以cm为单位)：低灵敏度的电镀金属有助于减小趋肤效应。封装运算放大器通常采用不同的封装形式。所选的封装会影响放大器的高频性能。主要的影响包括寄生效应(前面提到的)和信号路径。这里我们集中讨论放大器的路径输入、输出和电源。图9示出了采用SOIC封装(a)和SOT-23封装(b)的运算放大器之间的布线区别。每种封装都有它自身的一些问题。重点看(a)，仔细观察反馈路径就发现有多种方法
17、连接反馈。最重要的是保证印制线长度最短。反馈路径中的寄生电感会引起振铃和过冲。在图9(a)和9(b)中，环绕放大器连接反馈路径。图9(c)示出了另外一种方法在SOIC封装下面连接反馈路径这样就减小了反馈路径的长度。每种方法都有细微的差别。第一种方法会导致印制线过长，会增大串联电感。第二种方法采用了通孔，会引起寄生电容和寄生电感。在给PCB布线时必须要考虑这些寄生效应的影响及其隐含的问题。SOT-23布线差几乎是最理想的：反馈印制线长度最短，而且很少利用通孔；负载和旁路电容从很短的路径返回到相同的地线连接；正电源端的电容(图9(b)中未示出)直接放在PCB背面的负电源电容的下面。低失真放大器的引
18、脚排列：ADI公司提供的一些运算放大器(例如AD80451)采用了一种新的低失真引脚排列，有助于消除上面提及的两个问题；而且它还提高了其它两个重要方面的性能。LFCSP的低失真引脚排列，如图10所示，将传统运算放大器的引脚排列按着逆时针方向移动一个引脚并且增加了一个输出引脚作为专用的反馈引脚。低失真引脚排列允许输出引脚(专用反馈引脚)和反相输入引脚之间可以靠近连接，如图11所示。这样极大地简化和改善了布线。这种引脚排列还有一个好处就是降低了二次谐波失真。传统运算放大器的引脚配置中引起二次谐波失真的一个原因是同相输入和负电源引脚之间的耦合作用。LFCSP封装的低失真引脚排列消除了这种耦合所以极大
19、地降低了二次谐波失真；在有些情况下最多可降低14 dB。图12示出了AD80992 采用SOIC封装和LFCSP封装失真性能的差别。这种封装还有一个好处功耗低。LFCSP封装有一个裸露的焊盘，它降低了封装的热阻，从而能改善JA值约40%。因为降低了热阻，所以降低了器件的工作温度，也就相当于提高可靠性。目前，ADI公司提供采用新的低失真引脚排列的三种高速运算放大器：AD8045，AD8099和AD80003。 布线和屏蔽PCB上存在各种各样的模拟和数字信号，包括从高到低的电压或电流，从DC到GHz频率范围。保证这些信号不相互干扰是非常困难的。回顾前面“谁都别信”部分的建议，最关键的是预先思考并且
20、为了如何处理PCB上的信号制定出一个计划。重要的是注意哪些信号是敏感信号并且确定必须采取何种措施来保证信号的完整性。接地平面为电信号提供一个公共参考点，也可以用于屏蔽。如果需要进行信号隔离，首先应该在信号印制线之间留出物理距离。下面是一些值得借鉴的实践经验：* 减小同一PCB中长并联线的长度和信号印制线间的接近程度可以降低电感耦合。* 减小相邻层的长印制线长度可以防止电容耦合。* 需要高隔离度的信号印制线应该走不同的层而且如果它们无法完全隔离的话应该走正交印制线，而且将接地平面置于它们之间。正交布线可以将电容耦合减至最小，而且地线会形成一种电屏蔽。在构成控制阻抗印制线时可以采用这种方法。高频(
21、RF)信号通常在控制阻抗印制线上流动。就是说，该印制线保持一种特征阻抗，例如50 (RF应用中的典型值)。两种最常见的控制阻抗印制线，微带线4和带状线5都可以达到类似的效果，但是实现的方法不同。微带控制阻抗印制线，如图13所示，可以用在PCB的任意一面；它直接采用其下面的接地平面作为其参考平面。公式(6)可以用于计算一块FR4板的特征阻抗。H表示从接地平面到信号印制线之间的距离，W表示印制线宽度，T表示印制线厚度；全部尺寸均以密耳(mils)(10-3英寸)为单位。er表示PCB材料的介电常数。带状控制阻抗印制线(参见图14)采用了两层接地平面，信号印制线夹在其中。这种方法使用了较多的印制线，
22、需要的PCB层数更多，对电介质厚度变化敏感，而且成本更高所以通常只用于要求严格的应用中。用于带状线的特征阻抗计算公式如公式(7)所示。保护环，或者说“隔离环”，是运算放大器常用的另一种屏蔽方法，它用于防止寄生电流进入敏感结点。其基本原理很简单用一条保护导线将敏感结点完全包围起来，导线保持或者迫使它保持(低阻抗)与敏感结点相同的电势，因此使吸收的寄生电流远离了敏感结点。图15(a)示出了用于运算放大器反相配置和同相配置中的保护环的原理图。图15(b)示出用于SOT-23-5封装中两种保护环的典型布线方法。结语高水平的PCB布线对成功的运算放大器电路设计是很重要的，尤其是对高速电路。一个好的原理图
23、是好的布线的基础；电路设计工程师和布线设计工程师之间的紧密配合是根本，尤其是关于器件和接线的位置问题。需要考虑的问题包括旁路电源，减小寄生效应，采用接地平面，运算放大器封装的影响，以及布线和屏蔽的方法。讯号路径设计讲座（3）高性能模拟前端PCBTech.Net时间:2008-04-16 13:59来源:中国PCB技术网点击: 316次 高速转换系统，尤其是电讯领域的转换系统，允许ADC（模拟-数字转换器）输入讯号为AC链接信号（透过利用变压器、电容器或两者的组合）。但对于测试和量测行业而言，前端设计并非如此简单，这是因为除了提供AC结合能力之外，该应用领域通常要求输入讯号与DC链接。主动式高速
24、转换系统，尤其是电讯领域的转换系统，允许ADC（模拟-数字转换器）输入讯号为AC链接信号（透过利用变压器、电容器或两者的组合）。但对于测试和量测行业而言，前端设计并非如此简单，这是因为除了提供AC结合能力之外，该应用领域通常要求输入讯号与DC链接。主动式前端设计达到的良好脉波响应和低失真性能是有挑战性的（500MHz的DC频率）。本文适用于高速数据采集的高性能ADC所使用的模拟前端设计提供几种理念和建议。 高速讯号使用差分放大器是将高频模拟讯号与ADC的输出相连的首选方法。因此其中第一个需要选择的器件就是差分输出运算放大器。选择这类器件时，主要有两个考虑元素：增加带宽产品和从外部电压设置运算放
25、大器的共模电压输出的能力。这是因为驱动ADC输入的讯号放大器将共模电压输出(VCMO)设置在最适合的ADC范围内。如果不能满足这些条件，ADC 的性能会随着放大器的VCMO和ADC的最佳输入共模电压间不一致的增加而大幅下降。宽带差分运算放大器的主缺点在于其放大倍率通常都有限，而且其放大水平是在内部预设的。根据应用的不同，可能需要为设计添加前置放大器，从而满足必要的增加要求。至于前置放大器，应该采用宽带运算放大器以便满足ADC的期望输入频率。对于采样速率高达1 GSPS的系统而言，这等于已超过采样系统要求具有高达500 MHz的输入带宽。图 1. LMH6703 频率回响对于与较大增益（如AV=
26、10）一起运作并能保持大带宽的运算放大器而言，其等于5 GHz增益带宽(GBW)产品。由于架构的关系在频率回响和增益之间的直接折中，因此大多数的电压回授放大器都不能满足该要求。然而，电流回授放大器与这些参数保持较好的关系，因为性能通常由运算放大器电路内的回授电阻值决定。运算放大器LMH6703非常适于在增能设置为110的高带宽下运作。该器件可与所选的差分放大器一起使用，从而在高带宽系统（如示波器和数据采集卡）中提供额外的增益要求。本特殊放大器的频率回响见图。如果增益设置为10且带宽为500 MHz，则图推荐使用300奥姆的回授电阻(RF1)。Av = 1 + (Rf / Rg)因此，RG1（增
27、益电阻）可为33奥姆。例如，图2对具有差分放大器的电路中的LMH6703进行了说明。图2. 二层级放大器电流图除了需要具有合适的DC讯号路径的固定增益级别的系统，该应用还需要一个AC链接模式。这是因为DC讯号路径通常受到输入放大器所产生的增益带宽所限制。对于数据采集器件或需要很宽的输入带宽和低失真的通讯路径而言，我们需要采用AC讯号路径。这可将输入频率上限扩展到DC讯号路径容量以外。解决办法有很多种，选择何种解决方法主要取决于最小的输入频率以及所需的高频性能。对于高频下（200 MHz）的最高AC性能而言，平衡/非平衡变压器为实现单端-差分转换提供了解决方案，因为讯号失真的程度较低。折中在于平
28、衡/非平衡变压器属减损器件，将会小幅（-12 dB）消弱讯号，而且它们的低频性能较差。透过使用单极RF继电器作为选则单端输出讯号从前置放大器切换到差分放大器或平衡/非平衡转换电路中，可以将平衡/非平衡联结讯号路径插入图2所示的电路中。还需要另一个双极双掷RF继电器来将平衡/非平衡变压器和差分放大器的输出发送到ADC输入中。图3. 带有扩展AC讯号性能的系统频率回响该电路很适用于高级测试和测量设备。但是对于价格较敏感的应用，RF讯号继电器的成本就成了系统预算的负担了，特别是在需要多个通道的情况下。因此低速系统选择可用于AC链接和DC链接模式的差分输出运算放大器较为有利，因为省下了平衡/非平衡转换
29、电路。特别适于该用途的放大器逐渐出现，并渐渐提升带宽和THD方面的性能。对于8位1 GSPS的转换器而言，能在500 MHz下提供-50 dB THD图、小带宽至少为1 GHz的差分放大器会很适合。利用可以极大缩短设计时间的前端设计中现成的运算放大器组件，可以从高速ADC获取较好的动态性能。在频率上限处，放大器引起的SINAD损耗不超过34 dB。图4展示了198 MHz 输入讯号（由高带宽差分输出放大器进行缓冲，由8位ADC以500 MSPS的速率进行采样）的FFT。该图显示放大器在该频率下具有很低的2阶和3阶合谐波失真，使得ADC能够采集具有与从专用AC链接讯号路径获得的性能相当的噪声和失
30、真数的讯号。图4. 198 MHz正弦波（由高速差分输出运算放大器发送、由ADC08D500以500 MSPS的速率进行采样）的FFT图总结放大器的性能会不断的提升，从而提升带宽，并降低THD。随着ADC进入GSPS范围，我们就需要其它能够与这些转换器搭配的放大器。不仅能够透过减少信道上的电路来降低系统成本，而且不会牺牲系统的性能，并允许设计者以较低的成本实现较高的性能，同时缩短前端电子的设计时间。Signal Path DesignerSM #101内的A Walk Along the Signal Path(讯号路径设计讲座(4) 高分辨率ADC应用要领PCBTech.Net时间:2008
31、-06-26 12:59来源:National Semiconductor点击: 357次 当16位高分辨率ADC是由运算放大器 (op amp) 所驱动时，为了使复合式ADC和放大器能达到16位性能，在其它条件相同的状况下，驱动放大器必须具有远超过1LSB或0.0015%的增益精度。为了要达到这种精度水平，在选择放大器时有两个其增益误差有关的限制。 与放大器死循环增益当16位高分辨率ADC是由运算放大器 (op amp) 所驱动时，为了使复合式ADC和放大器能达到16位性能，在其它条件相同的状况下，驱动放大器必须具有远超过1LSB或0.0015%的增益精度。为了要达到这种精度水平，在选择放大
32、器时有两个其增益误差有关的限制。与放大器死循环增益相关的两个增益误差来源：1. 因为放大器的有限环路增益而引起的增益误差2. 因为死循环频宽不够所导致的增益误差在选择放大器时，都必须事先考虑以上两种误差来源 。图1，表现AVO，1/和AVO及 间关系的波德图图1波德图例证了开回路增益 (AVO)，回授衰减元素 ()，噪声增益 (1/ )，和回路增益A（或 AVO DC）间的关系，为非反相运算放大器电路的频率的功能。在非常低的频率下，开回路增益为100dB。这个放大器的主极点补偿位于10Hz 与100Hz间的极点上。在一个十进制数之后，这个开回路增益的坡度在增长的频度下为-20dB/十进制。回路
33、增益A的定义是开回路增益与闭回路增益之差；回路增益在回授理论中有特别的用途，可以告诉我们正在产生多少可用于控制讯号的开回路增益，它与增益误差或电路精度直接相关。如果一个放大器的开回路增益和回路增益很大，那么回授讯号VOUT就将变成与输入讯号相似的复制结果。这就解释了为什么运算放大器的两个终端在使用大量的负电流回授时变得近乎相等。回授越大，回路增益越大，各输入之间就越紧密，所得的差数就是增益误差了。注意A与开回路增益AVO一样，取决于频率，随频率的降低而降低。更高的回路增益相当于更高的精度。有限闭回路增益误差所产生的闭回路误差根据有限的开回路增益，可直接评估错误，在图1中，开回路增益(A)被描述
34、成开回路增益和噪声增益间的差。对于一个闭回路增益，噪声增益是40dB，因此，在AVO DC下，这个开回路增益为110dB 40dB = 70Db。注意回授元素是固定的，但是因为AVO 随着频率的降低而降低，所以开回路增益也必须随着频率的降低而降低。因此，由于增益精度或增益误差是回路增益的功能，那它也成为频率的功能。上面的例子中，于1Hz时的开回路增益为70dB，这显示了1/1000或者0.03%（12位精度）的增益误差。然而，在1Hz的频率下，对于一个40dB的开回路增益，AVO 已降至80dB或者1.0% （6位精度）。如果放大器作为一个整体增益缓冲器来配置，整体上会达到开回路增益，此时开回
35、路增益应该等于AVO。因此，在1kHz，我们具有完全的80dB的开回路增益，误差降低到0.01%，这个误差要大于13位精度的误差。然而，在100kHz下，我们又回到了1%的误差。这个问题是由于精度随着频率在降低，误差以20dB/decade的速率迅速积聚。因此对于每十位数的频率增长，误差以10或10N的形式增长，其中N是取自参考频率增长的十位数量。如果需要达到更好的性能，对应的解决方案应是采用一个带有更大频宽的放大器。 讯号路径设计讲座(5)模拟/数字转换器的神奇妙用PCBTech.Net时间:2008-06-26 13:09来源:美国国家半导体点击: 287次 高速模拟/数字转换器 (Hig
36、h speed ADC) 通常是模拟前端电路系统里最基本的组成组件。由于模拟/数字元转换器的性能决定系统的整体效能表现，因此系统制造商往往将模拟/数字转换器视为最重要的组件。本文将详细介绍超音波系统前端的运作原理，并特别讨论模拟/数字转换器高速模拟/数字转换器 (High speed ADC) 通常是模拟前端电路系统里最基本的组成组件。由于模拟/数字元转换器的性能决定系统的整体效能表现，因此系统制造商往往将模拟/数字转换器视为最重要的组件。本文将详细介绍超音波系统前端的运作原理，并特别讨论模拟/数字转换器在其中所发挥的作用。在设计超音波系统的前端电路时，制造商必须审慎考虑几项重要因素，以便进行
37、适当的取舍。医务人员能否作出正确的诊断，乃取决于模拟电路在这个过程当中关键性的作用。模拟电路的表现则取决于许多不同的参数，其中包括通道之间的串音干扰、无杂散讯号动态范围 (SFDR) 以及总谐波失真。因此制造商在决定选用何种模拟电路之前，必须详细考虑这些参数。以模拟/数字转换器为例来说，如果加设串行 LVDS 驱动器等先进电路，便可缩小电路板，以及抑制电磁波等噪声的干扰，有助于进一步改善系统的设计。微型化、高效能及功能齐备的超音波系统产品的制造，造成市场上持续要求生产低耗电模拟IC，使其具备与放大器、模拟/数字转换器和小封装的更佳整合。 系统概述超音波影像系统是目前最常用而又最精密的讯号处理仪
38、器，可协助医务人员作出正确诊断。在超音波系统的前端，采用极度精密的模拟讯号处理电路，像是模拟/数字转换器及低噪声放大器(LNA)等，而这些模拟电路的表现是决定系统效能的关键因素。 超音波设备非常接近于雷达或声纳系统，只不过是在不同的频率带（范围）中操作。 雷达操作于GHz（千兆赫）的范围中，声纳在kHz（千赫）的范围内，而超音波系统则在MHz（兆赫）范围内操作。 这些设备的原理几乎与商业和军用航空器所用的数组天线雷达系统操作模式相同。雷达系统的设计者是使用相控操纵波束形成器数组为原理，这些原理后来也被超音波系统设计者采用并加以改进。图1显示一个超音波系统的简图。 在所有超音波系统仪器中，都有一
39、个多元转换器在相对较长的电缆（大约2公尺）的末端。电缆内含高达 256 条微型同轴电缆，是超音波系统内最昂贵的组件之一。超音波系统一般会配备多个不同的转换器探头，让负责操作的医务人员可以依扫描影像的现场需求来选择适用的转换器。图1：结构图。影像的产生扫描过程的第一步，每一个转换器负责产生脉冲讯号，并将讯号传送出去。传送出去的脉冲讯号以高频率的声波形式穿过人体组织，声波的传送速度一般介于1至20MHz之间。这些脉冲讯号开始在人体内进行定时和定标侦测。当讯号穿越身体的组织时，其中部分声波会反射回转换器模块，并由转换器负责侦测这些回波的电位（转换器将讯号传送出去之后，会立即进行切换，改用接收模式）。
40、回波讯号的强度取决于回波讯号反射点在人体内的位置。直接从皮下组织反射回来的讯号一般都极强，而从人体内深入部位反射回来的讯号则极微弱。由于健康安全相关法律对人体可以承受的最大辐射量有所规定，因此工程师设计的电子接收系统必须极为灵敏。接近于人体表皮的病症区，我们称之为近场 (near field)，被反射回来的能量是高的。 但是如果病症区在人体内的深处部位，称之为远场 (far field)，接收到的回波将极为微弱，因此必须被放大为1000倍或以上。在远场影像的模式时，其效能限制来自于接收链路中存在的所有噪声。转换器/电缆组件以及接收系统的低噪声放大器是两个最大的外来噪声源。 而近场影像模式下，效
41、能限制则是来自于输入讯号的大小。 这两种讯号之间的比率决定了超音波仪器的动态范围。通过一系列接收器的时相转换、振幅调整以及智能型累计回波能量等过程，既可以获得高清晰度的影像。利用转换器数组的时移与调整接收讯号振幅的原理可以使设备具有定点观测扫描部位的功能。经过序列化的不同部位定位观测，超音波仪器即可建立一个组合影像。数字聚波可以完成讯号的组合处理。在数字聚波中，经由身体内某一点反射回来的回波脉冲讯号会在每一信道内先储存起来，然后按照其先后次序排列一起，并将之固定成为同调讯号，然后聚集起来。这种将多个模拟/数字转换器的输出聚集一起的处理方法可以提高增益，因为信道内的噪声是互不相关的。（备注：模拟
42、聚波技术基本已经成为过时的方法，现代所采用的大部分为数字聚波）。影像的形成，是于最接近转换器系统的仿真层取样，将其存储起来，再以数字化把它们聚集在一起而成。DBF 系统需要精确的信道与信道匹配。两信道均需要VGA（视频图形数组），这种情况将会持续，直到模拟/数字转换器设备足够应付大的动态范围，并可以提供合理的成本和低耗电量。 超音波影像模式1. 灰度影像 - 产生基本的黑白图像 影像将被辨析成1毫米那么小的单位，呈现的影像是由发射能量以及检测那些返回的能量而成 (如先前所述)。 2. 多普勒影像(Doppler)- 多普勒模式 (Doppler mode) 是通过跟踪回波的频率偏移来探测物体在
43、各种环境中运动的速度。这些原理被应用在检查体内血液或者其它液体在体内流动的情形。这种技术是透过发射一连串声波进入体内，然后对反射波进行快速傅利叶转换(Fourier Transform, FFT)处理。这种计算处理方法即可确定来自人体的讯号频率分量，以及它们与流体速度的关系。3.静脉和动脉模式 - 这种方式是将多普勒影像与灰度模式的联合应用。通过处理多普勒位移产生的音效讯号即可获得速率与节律。 模拟/数字转换器的特色与效能如前文所述，接收噪声中最主要的两个来源为转换器/电缆组件与接收系统的低噪声放大器(LNA)。这些噪声（包括来自身体组织的噪声）会在模拟/数字转换器的输入端所产生互相强化的作用
44、。为了扩大动态范围以及充份发挥系统效能，模拟/数字转换器本身的噪声必须尽量减少，因此模拟/数字转换器的噪声必须与人体组织反射回来的讯号分开；其中，模拟/数字转换器中因量化噪声而产生的噪声就是最大的噪声源之一。但是，这是可以利用更高分辨率的转换器来改善的。模拟/数字转换器的理论量化噪声设为(20log (1/2n)，其中n=转换器分辨率或-60.2dB（10位转换器）。采用12位的转换器，可以把转换器分辨率增强至小于 -73dB。目前正在开发的高阶超音波扫描系统绝大部分都采用12位的宽度，而10位的超音波系统大部分属于成本较低或掌上型的系统。超音波设备制造商会根据多个不同考虑因素挑选模拟/数字转
45、换器，有关因素包括讯号/噪声比(SNR)、总谐波失真(THD)、无杂散讯号动态范围(SFDR)、抖动、接口类别、范围外的讯号恢复能力，以及技术整合度、封装大小与功耗等。不仅模拟/数字转换器必须满足装置的动力学要求，而且对于功率匹配也必须慎重考虑。我们要知道，一台超音波设备需要多达256个模拟/数字转换器组件的。考虑到12位模拟/数字转换器以50MSPS 运转以及耗能在200-500mW之间，那么单为模拟/数字转换器设置的功率匹配就是128W！在动力效能方面，系统制造商尤其担心接近基频的频带范围内会出现谐波失真以及假像问题；虽然警方探测车速的多普勒雷达，也是采用大量频率移位的测量方法;但是与此最
46、大不同的是，超音波仪器采用的是多普勒影像模式，在测量静脉或动脉中的血液速率时，所产生的结果只有几赫兹 (Hertz) 的移位。据模拟/数字转换器的 FFT 频率分布图显示，基频底部附近的其它频率必须极为微弱，而且不可混杂任何杂散讯号，以免遮盖这个振幅极小的频率位移。因此，模拟/数字转换器及系统时钟抖动必须极低，以免噪声振幅将基频完全遮盖。转换器的线性表现也会影响多普勒超音波影像的清晰度。身体内的回波讯号可视为多频音讯号。若模拟/数字转换器在谐波失真方面的表现较差，这些多频音讯号便会与转换器的谐波混集一起，产生共振，甚至可能会遮盖振幅较低的回波讯号。双组装或四重组装模拟/数字转换器的串音干扰必须
47、极低。若某一信道的讯号泄漏到另一信道，便会造成反常回波的现象，使显示的影像出现假像，因此必须尽量抑制。像 ADC12QS065 这类高效能模拟/数字转换器便在抑制串音干扰方面有极好的表现，例如通道之间的串音干扰能力便超过 80dB。一般来说，模拟/数字转换器可以利用超取样功能，进一步减少噪声的干扰，以及提高数字处理电路的增益。只要增益有进一步的提升，设于模拟/数字转换器之前的模拟滤波电路便可在设计上进一步精简，而成本也可进一步降低。超取样速度也取决于讯号处理链的数据流处理能力。若提高数据传输率，可以接收及处理模拟/数字转换器输出数据流的数字电路便要面对成本上升的压力。在65MSPS的状态时，来
48、自模拟/数字转换器的序列化LVDS 12位数据流达到的位率为780Mbps，这可是需要使用最先进的现场可编程门阵列 (FPGA) 才能获取的高位率。整合序列化LVDS驱动器的优点模拟/数字转换器市场最近出现一个新的发展趋势，就是加设一个 LVDS 接口，以便将模拟/数字转换器与 FPGA 连接一起。只要将模拟/数字转换器输出的数据串行一起，256 信道系统的接口线路数目便可由 6044 减少至 1024，有助于缩小印刷电路板以及削减这方面的物料成本，这也是可携式影像系统产品成败的关键因素。此外，由于电缆及印刷电路板线迹的数目可以减少，而连接器的体积也可缩小，因此系统成本可以大幅降低。由于 LVDS 讯号采用全差动的模式传送，因此抵抗共模噪声干扰的能力极高。此外，由于 400mVp-p 的电压摆幅低于标准的 CMOS 逻辑电位，因此系统的整体噪声也