低噪声运算放大器LMR1802G-LB及USB_2.0高速PCB设计要点

运算放大器“LMR1802G-LB”简介：

近年来，随着IoT的普及，为实现更高性能并进行高级控制，包括移动设备在内，汽车、工业设备等所有应用中均搭载了诸多传感器。传感器是将各种环境、物理变化转换为信号的元器件，要求具备高精度，而同时在节能化（省电化）的大趋势下，传感器外围电路的电压呈日益降低趋势。

LMR1802G-LB融合ROHM的“电路设计”、“工艺”、“布局”三大模拟技术优势开发而成，是一款等效输入电压噪声密度（以下简称“噪声性能”）仅为市场流通产品（以下简称“传统产品”）的1/2左右（1kHz 时2.9nV/√Hz，10Hz 时7.8nV/√Hz）、低噪声性能具有绝对优势、传感器信号检测性能显著提升的运算放大器。另外，与低噪声性能呈矛盾关系的相位裕量和容性负载驱动也分别实现了业界顶级性能（相位裕量68°，容性负载500pF），还是一款具备业界顶级的低噪声性能，并具有卓越的稳定性（不易振荡，易于操作）的运放产品。这使得准确地放大仅几µV的电压也成为可能，非常有助于促进需要高精度感测的工业设备以及家电发展。

ROHM通过发挥模拟设计技术和独有的工艺等垂直统合型生产体制优势，去年面向车载市场开发出超强抗噪声（抗外部噪声性能优异）运算放大器，此次则面向工业设备及家电等领域开发出业界顶级的低噪声（电子电路产生的噪声少）运算放大器。

＜特点＞

1．低噪声且更易用，业界顶级性能的低噪声CMOS运算放大器

新产品作为融合ROHM的“电路设计（差分输入级新电路）”、“布局（多年积累的模拟布局）”、“工艺（为了低噪声而优化）”三大模拟技术优势开发而成的低噪声CMOS运算放大器，等效输入电压噪声密度实现1kHz 时2.9nV/√Hz、10Hz 时7.8nV/√Hz，与市场流通品相比，噪声量仅为1/2左右，低噪声性能具有绝对优势。

另外，以往在追求运算放大器的低噪声性能时，存在相位裕量和容性负载特性恶化、容易振荡等电路设计方面的难题。而ROHM通过在运算放大器的差分输入级采用新电路，不仅实现了业界顶级的低噪声性能，还同时实现了业界顶级的68°相位裕量和500pF容性负载驱动。

这使得传感器信号检测性能显著提升（例如提高至传统产品的2倍等），仅几µV的电压也可准确地放大，非常有助于以“高精度”为关键词的搭载传感器的设备实现更高性能。

2．引发误差的输入失调电压和输入偏置电流也力求极小化

运算放大器当输入电压为0V时输出电压应为0V，不过因其结构方面的原因将产生失调电压而出现误差。另外，当传感器输出的阻抗较高时，如果运算放大器的输入偏置电流较大，则将影响到传感器输出电压。这两个特性作为导致运算放大器误差的主要因素，要求其值要尽量小。

新产品的输入失调电压仅为450µV（传统产品的1/4），输入偏置电流仅为0.5pA（传统产品的1/2），从减少误差的角度看也可实现高精度放大。

USB_2.0简介：

USB 通用串行总线(Universal Serial Bus)，目前我们所说的 USB 一般都是指 USB2.0，USB2．0 接口是目前许多高速数据传输设备的首选接口，从 1.1 过渡到 2.O，作为其重要指标的设备传输速度，从 1.5 Mbps 的低速和 12 Mbps 的全速，提高到如今的 480 Mbps 的高速。USB 的特点不用多说大家也知道就是：速度快、功耗低、支持即插即用、使用安装方便。正是因为其以上优点现在很多视频设备也都采用 USB 传输。 

USB2.0 设备高速数据传输 PCB 板设计。对于高速数据传输 PCB 板设计最主要的就是差分信号线设计，设计好坏关乎整个设备能否正常运行。

USB2．0 接口差分信号线设计

USB2．0 协议定义由两根差分信号线(D、D-)传输高速数字信号，最高的传输速率为 480 Mbps。差分信号线上的差分电压为 400 mV，理想的差分阻抗(Zdiff)为 90(1±O．1)Ω。在设计 PCB 板时，控制差分信号线的差分阻抗对高速数字信号的完整性是非常重要的，因为差分 阻抗影响差分信号的眼图、信号带宽、信号抖动和信号线上的干扰电压。由于不同软件测量存在一定偏差，所以一般我们都是要求控制在 80Ω 至 100Ω 间。

差分线由两根平行绘制在PCB 板表层(顶层或底层)发生边缘耦合效应的微带线(Microstrip)组成的，其阻抗由两根微带线的阻抗及其和决定，而微带线的阻抗(Zo)由微带线线宽(W)、微带线走线的铜皮厚度(T)、微带线到最近参考平面的距离(H)以及 PCB 板材料的介电常数(Er)决定，其计算公式 为：Zo={87/sqrt(Er 1．41)]}ln[5．98H/(0．8W T)]。影响差分线阻抗的主要参数为微带线阻抗和两根微带线的线间距(S)。当两根微带线的线间距增加时，差分线的耦合效应减弱，差分阻抗增大；线间距减 少时，差分线的耦合效应增强，差分阻抗减小。差分线阻抗的计算公式为：Zdiff=2Zo（1-0.48exp(-0.96S/H))。当 W=16mil，S=7mil时，Zdiff=87Ω。但通过上述公式来推导合适的走线尺寸的计算过程比较复杂，借助 PCB 阻抗控制设计软件 Polar 可 以很方便的得到合适的结果，由 Polar 可以得到当 W=11mil，S=5mil 时，Zdiff=92.2Ω。

在绘制 USB2．O 设备接口差分线时，应注意以下几点要求：

在元件布局时，应将USB2．O 芯片放置在离地层最近的信号层，并尽量靠近 USB 插座，缩短差分 线走线距离。

差分线上不应加磁珠或者电容等滤波措施，否则会严重影响差分线的阻抗。

如果 USB2．O 接口芯片需串联端电阻或者 D 线接上拉电阻时，务必将这些电阻尽可能的靠近芯片放置。

将 USB2．O 差分信号线布在离地层最近的信号层。

在绘制 PCB 板上其他信号线之前，应完成 USB2．0 差分线和其他差分线的布线。

保持 USB2．O 差分线下端地层完整性，如果分割差分线下端的地层，会造成差分线阻抗的不连续性，并会增加外部噪声对差分线的影响。

在 USB2．0 差分线的布线过程中，应避免在差分线上放置过孔(via)，过孔会造成差分线阻抗失调。如果必须要通过放置过孔才能完成差 分线的布线，那么应尽量使用小尺寸的过孔，并保持 USB2．0 差分线在一个信号层上。

保证差分线的线间距在走线过程中的一致性，使用 Cadence 绘图时可以用shove 保证，但在使用 Protel绘图时要特别注意。如果在 走线过程中差分线的间距发生改变，会造成差分线阻抗的不连续性。

在绘制差分线的 过程中，使用 45°弯角或圆弧弯角来代替 90°弯角，并尽量在差分线周围的 150 mil 范围内不要走其他的信号线，特别是边沿比较陡峭的数字信号线更加要注意其走线不能影响 USB 差分线。

差分线要尽量等长，如果两根线长度相差较大时，可以绘制蛇行线增加短线长度。

USB2.0 总线接口端电源线和地线设计

USB 接口有 5 个端点，分别为：USB 电源(VBUS)、D-、D 、信号地(GND)和保护地(SHIELD)。上面已经介绍过如何设计 D 、D-差分信号了，正确设计 USB 总线电源、信号地和保护地对USB 系统的正常工作也是同样重要的。

USB 电源线电压为 5 V，提供的最大电流为500mA，应将电源线布置在靠近电源层的信号层上，而不是布置在与 USB 差分线所在的相同层上，线宽应在 30mil 以上，以减少它对差分信号线的干扰。现在很多厂家的 USB 从控制芯片工作电压为 3．3 V，当其工作在总线供电模式时，需要 3．3～5 V 的电源转换芯片，电源转换芯片的输出端应尽量靠近 USB 芯片的电压输入端，并且电源转换芯片的输入和输出端都应加大容量电容并联小容量电容进行滤波。当 USB 从控制芯片工作在自供电的模式时，USB 电源线可以串联一个大电阻接到地。

保护地和信号地之间的间距不应小于 25mil， 以减少两个地之间的边缘耦合作用。保护地不要大面积覆铜，一根 100mli 宽度的铜箔线就已能满足保护地的功能需要了。

在绘制 USB 电源线、信号地和保护地时，应注意以下几点：

USB 插座的 1、2、3、4 脚应在信号地的包围范围内，而不是在保护地的包围范围内。

USB 差分信号线和其他信号线在走线的时候不应与保护地层出现交叠。

电源层和信号地层在覆铜的时候要注意不应与保护地层出现交叠。

电源层要比信号地层内缩20D，D 为电源层与信号地层之间的距离。

如果差分线所在层的信号地需要大面积覆铜，注意信号地与差分线之间要保证 35 mil 以上的间距，以免覆铜后降低差分线的阻抗。

在其他信号层可以放置一些具有 信号地属性的过孔，增加信号地的连接性，缩短信号电流回流路径。

在 USB 总线的 电源线和 PCB 板的电源线上，可以加磁珠增加电源的抗干扰能力。

USB2．0 其他信号的拓扑结构设计

USB2．O 提供高达 480 Mbps 的传输速率，因此芯片需要外接一个较高频率的晶振，例如 Cypress 公司的 CY7C68013 需要外接 1 个 24 MHz 的晶振。晶振应尽量靠近 USB 芯片的时钟输入脚，时钟线不能跨越 USB2．0 的差分线，晶振下不要布置任何信号线，并且在时钟线周围应覆有完整的信号地，以降低时钟线对其他信号线的干扰，特别是对差分线的干扰。在绘制USB 芯片与其他芯片相连的数据线时，应保证线间距不小于 8mil。

按 EMC、EMI 原理和信号完整性要求设计的 USB2．0 设备 PCB 板，传输速率可以达到 300 Mbps 以上。高速数字信号传输 PCB 板设计是一个比较复杂的领域，对设计人员的要求比较高，设计周期也比较长。

审核编辑 黄昊宇