放大器PCB的接线技巧

要长高 2023-10-15 2673

描述

在电路设计过程中，应用工程师往往会忽略印刷电路板 (PCB)的布局。一个常见的问题是电路原理图是正确的，但它不起作用，或者只能在低性能下运行。我将向您展示如何正确布置运算放大器的电路板以确保其功能、性能和稳健性。

最近，我与一名实习生一起研究了增益为2V/V、负载为10kΩ、电源电压为+/-15V的同相配置OPA191运算放大器。图1显示了设计的原理图。

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图1：具有同相配置的OPA191原理图OPA191原理图

我让实习生为设计做布板，同时给了他关于PCB布局的一般指导（例如：尽量减少电路板的走线路径，尽量保持元件排列紧密，以减少电路板占用空间））空间），然后让他自己设计。设计过程有多难？其实就是几个电阻电容而已，不是吗？图2显示了他最初尝试设计的布局。红线是到板子顶部的路径，蓝线是底部路径。

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图 2：第一次布局尝试

看到他的第一次布局尝试，我意识到电路板布局并不像我想象的那么直观；我至少应该给他做一些更详细的指导。他在设计上完全遵循了我的建议：缩短布线路径并将零件紧密地放在一起。但是，为了降低电路板的寄生阻抗并优化其性能，这种布局仍有很大的改进空间。

下一步是改进布局。我们所做的第一个改进是将电阻器R1和R2移到OPA191的反相引脚（引脚 2）；这有助于减少反相引脚的杂散电容。运算放大器的反相引脚是一个高阻抗节点，因此具有高灵敏度。较长的走线路径可用作将高频噪声耦合到信号链中的导线。反相引脚上的PCB电容会导致稳定性问题。因此，反相引脚上的触点应尽可能小。

将R1和R2移至引脚2允许负载电阻器R3旋转180度，从而使去耦电容器C1更靠近 OPA191的正电源引脚（引脚 7）。去耦电容尽可能靠近电源引脚非常重要。如果去耦电容和电源引脚之间的走线路径很长，电源引脚的电感会增加，从而降低性能。

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图 3：改进布局各部分的位置

将零件移动到新位置后，您仍然可以进行一些其他改进。您可以加宽走线路径以降低电感，这相当于走线路径所连接的焊盘的尺寸。还可以对电路板的顶部和底部接地层进行灌注，从而为返回电流创建可靠的低阻抗路径。图4显示了我们的最终布局。

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图4：最终布局

下次布局印刷电路板时，建议您遵循以下布局约定：

尽量减少反相引脚的连接。
将去耦电容尽可能靠近电源引脚放置。
如果使用多个去耦电容，请将最小的去耦电容放置在最靠近电源引脚的位置。
不要在去耦电容和电源引脚之间放置过孔。
尽可能扩展路由路径。

在上文中，我们谈到了仪表放大器（运放）PCB 的正确布局方式，并提供了一系列良好的布局实践以供参考。接下来，我们将探讨布置仪表放大器 (INA) 时的常见错误，然后展示如何正确布置INA PCB。

INA 用于需要放大差分电压的应用，例如在高端电流检测应用中测量分流电阻器两端的电压。图5显示了典型的单电源高侧电流检测电路的原理图。

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图5：高端电流检测原理图

图5通过RSHUNT测量差分电压，R1、R2、C1、C2和C3用于提供共模和差模滤波，R3和C4为U1 INA提供输出滤波，U2用于缓冲INA参考引脚. R4和C5用于形成一个低通滤波器，大限度地减少由运算放大器引入到INA参考引脚的噪声。

虽然图5中的原理图布局看起来很直观，但在PCB布局中很容易出错，导致电路性能降低。图6显示了工作人员在检查 INA 布局时常见的三个错误。

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图 6：INA通用PCB布局

从上图可以看出，第一个误差是通过电阻测量差分电压Rshunt。可以看出Rshunt to R2线较短，因此其电阻小于Rshunt to R1线电阻。线路阻抗的这种差异可能会将输入偏置电流引入 INA，从而在U1输入侧产生差分电压。由于INA的任务是放大差分电压，输入侧的不平衡线路可能会导致错误。因此，需要保证INA输入线是平衡的，并且尽可能短。

第二个误差与INA增益设置电阻Rgain有关。U1引脚到Rgain焊盘的长度比实际需要的长度要长，因此会产生额外的电阻和电容。由于增益取决于INA增益设置引脚、引脚1和引脚8之间的电阻，因此额外的电阻可能会带来错误的目标增益。由于INA的增益设置引脚连接到INA中的反馈部分，额外的电容可能会导致稳定性问题。因此，确保连接增益设置电阻的线路尽可能短。

然后，可能需要改进缓冲电路参考引脚的位置。参考引脚缓冲电路远离参考引脚，这可能会增加参考引脚的电阻，导致噪声或其他信号耦合到线路中。参考引脚上的额外电阻可能会降低大多数INA提供的高共模抑制比 (CMRR)。因此，参考引脚缓冲电路应尽可能靠近INA参考引脚放置。

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图7显示了纠正这三种错误后的布局。

在图7中，可以看到R1和R2到分流电阻器的线长相同，并且使用了开尔文连接。INA引脚的增益设置电阻尽可能短，基准缓冲电路尽可能靠近基准引脚。

如果您想在未来为INA布置PCB，请务必遵循以下指南：

1、确保输入端所有线路完全平衡；

减少线路长度并最小化增益设置引脚上的电容；
将参考缓冲电路布置在尽可能靠近INA参考引脚的位置；

4、去耦电容尽量靠近电源引脚布置；

至少覆盖一层实心地平面；

6.不要为了电子元件使用丝印而牺牲良好的布局；

遵循本文第一部分中提到的准则。

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