原理图(SCH)设计中通常假定PCB(印制电路板)是理想的,因此PCB布局布线中就要关注非理想因素带来的影响。低电流检测的应用中,需要避免PCB上产生漏电流;高速高带宽应用中,需要减小PCB上的寄生电容。
1. 漏电流
PCB 一般基于FR-4玻璃纤维基材涂环氧树脂经半固化后制成,无法达到理想的绝缘,板上两根导线之间如果存在电压差,会导致一个非常小的电流存在,形象的称其为漏电流(Leakage current )。基于电压差和漏电流,于是也有漏电阻或绝缘电阻的概念。
PCB 上漏电流的大小与基板材质、导线间距、阻焊层、助焊剂和清洗剂残留、灰尘及空气湿度等许多因素相关,漏电流路径会分布在导体的整个接触面上,但在漏电流分析的简化建模中,会将其等效成一个漏电阻来集中表示。跨阻放大器电路中,漏电流对运放-IN反相输入端节点的影响是最大的。以图4-23所示的简单模型来描述,如果-IN反相输入端网络附近有-5V电源走线假定PCB上的漏电阻 R l e a k = 100 G Ω R_{leak} =100GΩ Rleak=100GΩ,则漏电流 I l e a k a g e = 50 p A I_{leakage} =50pA Ileakage=50pA。这个 I l e a k a g e I_{leakage} Ileakage会在运放输出Vout中引入直流偏置误差。
理论上来说通过提高PCB绝缘电阻的方式可以减少漏电流,但对FR-4基材的PCB绝缘电阻不能提出不切实际的要求,而且绝缘电阻还会受高温老化。其他一些辅助措施也用于降低表面漏电流,例如对PCB表面进行清洁处理,避免杂质残留,以及对PCB表面涂覆三防漆,避免水汽、灰尘的侵入等。
2. 绝缘支架
为了避免PCB上的绝缘电阻引入漏电流,早期采用了一种特氟龙绝缘(Teflon standoff insulator)支架架空布线的方式。以DIP封装(双列直插式封装)运放为例,实施示意如图4-24所示。需要保护的信号线并不在PCB上走线,运放的输入引脚也不焊接在PCB上,两者在绝缘支架上相连。特氟龙是一种非常好的绝缘材料,通过绝缘支架与PCB相隔离,避免了在信号线上产生漏电流。
ADI 的极低偏置电流运算放大器ADS49,采用了TO-99封装,这样可以利用绝缘支架的方式来减少漏电流。但这样的实施方式,使电路板的组装制造过程中需要增加引脚处理特殊工序,降低生产效率,增加制造成本。
3. 保护环
现代电路板组装工艺朝着全贴片化方向发展,因此PCB设计中引入了一种更可靠、更持久的保护环(Guard ring)技术。以图4-25所示的示意图为例,需要保护的对象是信号线,PCB设计时绘制一圈导线围绕着被保护对象,这圈导线称为保护环或屏蔽环。保护环与信号线并不直接相连,但保护环的电压
V
G
u
a
r
d
V_{Guard}
VGuard与信号线的电压
V
S
i
g
n
a
l
V_{Signal}
VSignal要保持相同的电位,即
V
G
u
a
r
d
V_{Guard}
VGuard=
V
S
i
g
n
a
l
V_{Signal}
VSignal。
PCB上电位差的存在,使电路中有漏电流不可避免。但增加了保护环后,漏电流发生在保护环与外部电路之间,信号线上不会产生漏电流。换个角度,实际上是将漏电流从被保护对象转移到了保护环。
保护环实施过程中有几个需要注意的地方:一是保护环的电位要与被保护对象的电位尽可能相等,如果存在很小的电压差,仍然会产生微弱的漏电流;二是保护环的电位要采用低阻抗源驱动,这样保护环的漏电流不会影响到保护环的电位。
实际 PCB上的信号线会有走线和过孔,保护环并不能保护住所有的漏电流路径,但增加如图4-25 所示的这种防护措施之后,仍然能够显著地降低漏电流,因此被广泛采用。如果需要加强防护效果,还可以增加保护层和过孔保护等措施。
4. 求和节点
5.保护环缓冲器
保护环缓冲器(Guard buffer)也称保护环驱动器(Guard Ring Driver,GRD),是一个单位增益放大器,生成与运放+IN同相输入端相同的电平,如图4-26中对VN进行跟随的运放。保护环与求和节点之间的电压差与这个运放的跟随精度有关,因此要选用低输入失调型运放。
在“3.1.2飞安级偏置电流”节中介绍过ADI的飞安级输入偏置电流运放ADA4530-1,它内部集成了保护环缓冲器来跟随输入共模电压,在1.5~3V共模电压范围内失调电压小于250μV(最大值)。为了避免保护环缓冲器的输出引脚上可能存在大电容产生振荡,所以运放内部增加了1kQ串联电阻,因此不能用保护环缓冲器来驱动负载,否则输出电压会因负载过大而降低。
ADA4530-1虽然采用的是标准SOIC-8(小外形集成电路)封装,但引脚定义与标准单通道运算放大器却不相同,其中Pin1和Pin8是输入端,Pin2和Pin7为GRD的输出引脚。GRD安排在+IN和-IN输入引脚的旁边,让保护环布线更加方便,而且防止输入输出与电源引脚之间的耦合。ADA4530-1用于跨阻放大器电路设计时,电路如图4-28(a)所示,虚线框内就是需要保护的求和节点。PCB保护环设计如图4-28(b)所示,图中∧点是电流信号输入端,连接运放的-1N反相输入端。保护环采用了覆铜形式,包围着求和节点。保护环外侧围绕一圈的过孔称为过礼防护(Viafence ),用于保护侧面的漏电流路径。
小提示如果ADA4530-1在电路中用作高阻抗传感器的输入缓冲器,保护环的实施方式与跨阻放大器有所不同,请参考数据手册。