Minimal Gürültü ve Yüksek Hızlı Uygulamaları Için Takdir Edilmiş Op Amp Devreleri

Operasyonel yükselteçler (op amps) yüksek hızlı analog ve karışık devrelerde temel yapı blokları olarak kalır.Bu makale, yüksek hızlı ve sabit sistem performansına bile yol açan, küçük bir düzen hatalarına bile değinebilir. Temiz sinyal bütünlüğü, bileşen yerleştirme ve yönlendirmede kasıtlı tasarım seçeneklerine sahip.Bu makale, yüksek hızlı bir şekilde gürültüyü vetalku azaltmak için kapsamlı bir kılavuz sunar.

Op Amp Devrelerinde Gürültü Kaynağını Anlamak

Artırılmış amp devrelerdeki gürültü hem iç cihaz özelliklerinden hem de dış çevresel faktörlerden ortaya çıkıyor. Bu kaynakları tanımak, etkili mitigation'a yönelik ilk adımdır.

Intrinsic Op Amp Gürültü

Her af amp, yarı iletken bileşenlerindeki fiziksel süreçler nedeniyle kendi gürültülerini üretir. Üç birincil tip şunlardır:

  • [FONT:0] ⁇ gürültü[DÜT:1) - direnişçiler ve transistör kanallarındaki rastgele yük taşıyıcıların hareketine neden oldu.
  • [FONT:0]Shot gürültü[DÜT:1] - PN kavimlerinde meydana gelir ve mevcut akışın ayrı doğasından doğar.
  • [FONT:0)Flicker gürültüsü (1/f gürültü)) - düşük frekanslarda hakimdir ve yarı iletken malzemelerde yüzey kusurları ile ilgilidir.

Düşük gürültü yoğunluğu (nV/pilot) ile bir af amp seçmek, örneğin, [[Ücretsiz:0)Analog Cihazları ADA4898) 0,9 nV/128 gerilim gürültüyü sunuyor, yüksek hızlı, düşük maliyetli uygulamalar için uygun hale getiriyor.

Dış Gürültü Coupling

Dış gürültü, elektromanyetik müdahale ile devreye girer (EMI), güç tedariki dalgalanmaları ve zemin atılır. Aynı tahtadaki yüksek hızlı dijital sinyalleri hassas analog izlerinin içine girebilir. Radiated müdahalesi yakındaki motorlardan, RF vericilerden veya geçiş dönüştürücüleri de düşük performans gösterir.

Proper düzen teknikleri, gürültünün giriş aşamasına ulaşmasından önce bu dış aggressors'dan gelen aggressors'u korumanıza yardımcı olur.

Low-Noise High-Speed Devreleri için Stratejileri

Zemin, gürültü performansındaki en etkili faktördür. Kötü tasarlanmış bir zemin sistemi döngüler, gerilimler yaratır ve çift gürültünün doğrudan sinyal yolunda olduğunu gösteren yolları paylaşmaktadır.

Solid Ground Plane vs. Star Ground

Yüksek hızlı devreler için, iç bir PCB katmanında sürekli sağlam bir zemin uçağı, yüksek frekanslarda en düşük boşluk alan sağlar ve mümkün olan yüksek frekanslı bölgelerden dolayı döngü alanını azaltır. Star zemining, tüm zemin bağlantılarının tek bir noktada buluştuğu yerde, düşük frekanslı veya karışık-signal sistemlerde en iyi şekilde çalışır, ancak yüksek frekanslarda büyük bir döngü alanları yaratır.

Ground Plane Katılımcı

Analog ve dijital devreler bir araya geldiğinde, zemin uçağın bölünmesi dijital geri dönüş akımlarını hassas analog sinyallerden ayırabilir. Ancak uçağın önerdiği düğümleri bölmek EMI'yi içeren daha iyi bir yaklaşım, gemideki analog ve dijital bölümleri fiziksel olarak ayırmaktır, sonra köprüleri sert bir şekilde bakır arıtabilir.

Yeraltı döngülerinden kaçının

Zemin iletkeni birden fazla bağlantı üzerinden kapalı bir döngü oluştururken meydana gelir. Manyetik alanları oluşturan antenler olarak hareket ederler, bu sinyal ve geri dönüş akımları yakın bir şekilde akışını sağlar ve devre dışı bırakmadan zemin bağlantıları yoktur.Eğer dış bağlantılar (bilinçler, test ekipmanları) kaçınılmaz ise, izolasyonlu transformatörler veya dengeleyici sinyallemeleri kullanın.

Güç Supply Decoupling

Güç tedarik gürültü doğrudan arka planda artırılmış sinyallerin çıkışında sarsıcı sinyaller olarak ortaya çıkabilir. Proper decoupling emiciler yüksek frekanslı gürültüyü ve geçici akımlar için yerel bir enerji rezervuarını sağlar.

Capacitor Selection and Placement

Düşük kapasiteli bir şişe (0.1 μF to 1 μF) her bir güç kaynağı için af amp pin - 1 mm içinde tam olarak 1 mm'lik zemine doğrudan monte edin.Yeraltı amplifleri için, her zaman bir şarj cihazının paralel bir kombinasyonunu kullanın.

Ek filtreleme, ampirikleten önce bir ferrite takma tarafından elde edilebilir.

Power Plane Integrity

Çok katmanlı PCB'lerde özel güç ve zemin uçaklarını kullanın. Bu uçaklar, yüksek frekanslarda daha fazla yetersizlik azaltan dağıtılmış kapasite yaratır. Analog güç uçağına yakın gürültülü dijital güç izlerini kullanmaktan kaçının; bunun yerine, analog ve dijital malzemeleri tek bir noktada paylaşılan bir zemin referansı ile kullanın.

Signal Routing ve Trace Design

Af amp'ı giriş kaynaklarına, geri bildirim ağına bağlayan fiziksel izler ve yük hem yayılabilir hem de gürültü alabilir antenler. Bakımcı routing bu parasitik etkiler en aza indirmek.

Minimiz Trace Uzunluk ve döngü Alan Alan

Tüm sinyal yollarını tut - özellikle de inverting ve non-inverting girişleri – mümkün olduğunca kısa. Uzun izler seri girişleri artırmak için, parasitic cle ve degrads bant genişliği ile yeniden şarj etmek için hangi formlar. daha da önemlisi, uzun izler manyetik alanları seçmek daha büyük döngü alanları yaratır.

Kontrollü Impedance Routing

50 MHz'in üzerindeki hızlar için, yanlış eşleştirmeler, halka ve gürültü yaratan yansımalara neden olur. Gerekli izi zorlayan (örneğin, 50 Ω tek uçlu, 100 {{ diferansiyel) PCB'ye dayanan ve mikrostrip veya striptiz tekniklerini kullanın.

Birçok PCB tasarım araçları, gemi üreticisinizin kapasitesiyle ilgili olarak onaylanır - tipik toleranslar % 10'dur. SI List Bülteni) gibi araçlar ücretsiz hesaplayıcılar ve en iyi uygulamalar sunar.

İzler Arasında Spacing

Yakındaki izler arasındaki çapraztalk, yüksek hızlı sinyaller için azalır. 3W kuralı takip edin: iz merkezleri arasındaki mesafe en az üç kez iz genişliğine sahip olmalıdır.Eğer mümkünse, hassas düğümler için 5W'ye kadar spacing artırmak.Eğer yüksek hızlı dijital izler analog bir şekilde amp girişleri doğruya doğru ile paralel şekilde takip etmek için paralel olarak.Eğer geçiş kaçınılmazdır, kullanım veya uçsuz tabakalar arasında mesafe en aza indirmek için.

Guard Traces and Shielding

Güvenlik izlerini - bakır her iki ucunda yer alır - hassas sinyal izlerinin yanında yerleştirilen bazı koruyucuları üst düzeye doğru bir şekilde kapatılabiliyor. ancak, koruyucu izler düşük frekanslarda en etkilidir. yüksek frekanslarda, gerçekten de darbeyi artırabilirler. daha iyi yüksek frekanslı bir kalkan, yukarıdaki veya altında bir sürekli bir zemin uçağı sağlar. aşırı izolasyon için, bir zemin amplitüd metal koruyucu kullanarak göz ardı edilebilir bir zemini kullanarak göz ardı edilebilir.

Kesiri PCB Stack-Up ile Yeniden Üretin

Katmanlı çöp kutusu, sinyallerin birbirlerine ve enerji ve zemin uçaklara nasıl olduğunu belirler. İyi tasarlanmış bir yığın gürültü kaynakları ve sinyal bütünlüğü korur.

Katman Assignmentment

Dört katmanlı bir yönetim için, tipik bir atamalar şunlardır: üst tabaka (signals and components), ikinci katman (kömürücü) ve alt tabaka (signals) Bu arsa düzlemi aynı tabakada hem de her iki sinyal tabakalarına, alt tabakalara, alt tabakalara, alt tabakalara, alt tabakalara, alt tabakalara (enerjiye) ve dış tabakalara sadece düşük hızda veya düşük seviyeliliğe sahip olmak için bir zemine uygun olarak tutun.

Buried Capacitance

Güç ve zemin uçakları mümkün olduğunca yakın bir şekilde yerleştirin (tipik olarak 3-5 milyonlar bir dielektrik ile) bu amaçla yüksek frekanslı bir şarj cihazı oluşturmak için.Bu teknik, genellikle “buried cleance” olarak adlandırılır.

Gürültü ve ısı Yönetimi için Kompozisyon

Af amp ve çevresindeki bileşenlerin fiziksel yerleştirmesi doğrudan gürültü darbe ve termal davranışı etkiler.

Geri bildirim Bileşenleri Kapat

Geri bildirim direnç ve kapasitör (eğer kullanılırsa) küçük paketlere yakın olmalıdır (örneğin, 0402 veya 0603), geri bildirim ağının doğrudan minimum döngü alanıyla birlikte konumlandırılması için geri bildirim ağının üzerinden.

Yüksek Hızlı ve Hassas İzler

Saat jeneratörlerinden uzakta olan af amp, anahtarlama düzenleyicileri ve dijital sinyal hatları. PCB alanı sıkıysa, gürültülü ve hassas alanlar arasında bir zemin izi yollayın. Dış müdahalenin daha muhtemel olduğu yönetim kurulu kenarına doğru arsaktan kaçının.

Termal Tahminler

Yüksek hızlı artırılmış af amplitüdler önemli gücü dağıtabilir ve sıcaklık artışları gürültüyü (termin gürültüyü) arttırır ve güvenilirliği azaltır.(0) Güç dağılımının tipik sınırları aşsa kullanılabilir.).

Filtreleme ve Suppress Gürültüyü Belirleme

Dış filtreler ve sonlandırma ağları, af amp'e ulaşmadan önce sinyalleri temizleyebilir veya amplifikasyonun ardından.

Giriş Filtreleme

Düşük giriş filtresini ekleyin, sinyal bozulmasından kaçınmak için en yüksek sinyal frekansının üzerinde seçin. Basit bir RC filtre (proistör seri, kapasitor to zemin) girdi pinine yakın yerleştirilir.Sessiz giriş frekansının üzerinde en iyi seçin.For specific inputs, use a common-mode filter to avoid common-mode filter.

Çıktı Tending Tequence

Uzun kablolar veya kapasitif yükler sürerken, resitik kapasitans (33-100 ULL) amplifikasyonun geri çekilmesine ve yüzüğü azaltın. Bu sonlandırma ayrıca, parasitic kapasitance üzerinden girişe çift olabilecek mevcutları sınırlandırır.

Simülasyon ve Doğrulama

Kuruluma son vermeden önce, SPICE veya benzer bir simülatörü kullanarak amplitüsyon devresini satın almak için kullanır.Resonance topları veya aşırı aşırı aşırı aşırı aşırı yüklemeyi tanımlamak için frekans yanıtını ve geçici davranışı kullanarak. Ortak simülasyon araçları TINA-TI (Text Instruments'tan ücretsiz), LTSpice'i analog cihazlardan ve PSpice.

Bir prototip inşa ettikten sonra, bir spektrum analizörü veya oscilloskop ile düzeni doğrulayın. Gürültü zeminini ölçme ve haçlı tonları işaret edene dikkat edin. Gürültü çiftlerinin hassas izlerini tespit etmek için yakın bir TV Probunu kullanın.Bu ölçümlere dayanan düzeni yapılandırın.

Gerçek Dünya Örneği: Yüksek Hız ADC Sürücü

Tipik bir uygulama düşünün: yüksek hızlı bir ADC sürüşü.Yeraltın af ampten gelen gürültüyü aynı anda en düşük katmanın altında aDC'den uzaklaştırmak ve analog sinyal sinyalini doğrudan alamaktan sonra ADC giriş pinsleri kullanın.ADC giriş noktalarına ve ADC güç pimleri her iki kat daha fazla kapasiteli bir amplifiğe doğru doğru doğru doğru doğru doğru doğru bir şekilde işaret eder.

Bu yapılandırmayı kötü bir şekilde ortaya çıkan bir yönetim kuruluna karşı test edin tipik olarak sinyal-to-noise oranı (SNR) ve belirgin bir ücretsiz dinamik aralığında (SFDR) bozulma.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Minimum gürültü ve haç için bir af amplifü kurmak sistematik bir yaklaşım gerektirir: Düşük hacimli bir af amplitüyü seçin, sağlam bir zemin uçağı uygulayın, stratejik olarak çift gücü, rota hassas izler bakımı ve gürültülü bölümlerle.Her karar - bileşen yerleştirmeden tabakaya kadar - genel sinyal bütünlüğüne katkıda bulunur.Bu makaledeki yönergeleri takip ederek ve her zaman test prototipleri kullanarak, mühendisler en zorlu yüksek hızlı uygulamaları daha da üst düzeye çıkarabilirler.