如何正确布置运算放大器的电路板

PCB线路板打样 2019-08-02 10326

描述

在电路设计过程中，应用工程师倾向于忽略印刷电路板（PCB）的布局。一个常见的问题是电路的原理图是正确的，但它不起作用，或者只能以低性能运行。在本文中，我将向您展示如何正确布置运算放大器的板以确保其功能，性能和稳健性。

最近，我与一名实习生一起工作同相配置OPA191运算放大器，增益为2V/V，负载为10kΩ，电源电压为+/- 15V。图1显示了该设计的原理图。

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图1：具有非反相配置的OPA191原理图OPA191原理图

我要求实习生为设计布置电路板，同时给了他关于PCB布局的一般指导（例如：尽量减少电路板的布线路径，尽量保持组件紧密排列，以减少电路板占用空间），然后让他自己设计。设计过程有多难？事实上，它只是几个电阻器和电容器，不是吗？图2显示了他首次尝试设计的布局。红线是电路板顶部的路径，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;我至少应该为他做一些更详细的指导。他完全遵循我的设计建议：缩短布线路径并将零件紧密放在一起。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。我们做的第一个改进是将电阻R1和R2移到OPA191的反相引脚（引脚2）;这有助于降低反相引脚的杂散电容。运算放大器的反相引脚是高阻抗节点，因此具有高灵敏度。较长的迹线路径可用作导线，将高频噪声耦合到信号链中。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移到引脚2可使负载电阻R3旋转180度，从而带来将电容器C1去耦靠近OPA191的正电源引脚（引脚7）。去耦电容尽可能靠近电源引脚是非常重要的。如果去耦电容和电源引脚之间的走线路径较长，则电源引脚的电感会增加，从而降低性能。

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图3：改进布局的各个部分的位置

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减小电感，这相当于走线路径所连接的焊盘的尺寸。还可以灌注电路板的顶部和底部接地平面，以为返回电流创建坚固的低阻抗路径。图4显示了我们的最终布局。

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图4：最终布局

下次布置印刷电路板时，建议您遵循以下布局约定：

1。最小化反相引脚的连接。

2。将去耦电容尽可能靠近电源引脚放置。

3。如果使用多个去耦电容，则将最小的去耦电容放在最靠近电源引脚的位置。

4。请勿在去耦电容和电源引脚之间放置过孔。

5。尽可能扩展布线路径。

在上面，我们讨论了布置仪表放大器（op amp）PCB的正确方法并提供了一系列好的布局实践以供参考。接下来，我们将探讨在布置仪表放大器（INAs）时常见的错误，然后展示如何正确布局INA PCB。

INA用于需要放大的应用中差分电压，例如测量高端电流检测应用中分流电阻两端的电压。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测量通过RSHUNT，R1，R2，C1，C2和C3的差分电压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用于形成低通滤波器，可最大限度地降低运算放大器引入INA参考引脚的噪声。

尽管图5中的原理图布局似乎很直观，在PCB布局中很容易出错，导致电路性能下降。图6显示了工作人员在检查INA布局时遇到的三个常见错误。

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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到R2线路较短，因此其电阻小于Rshunt到R1线路的电阻。线路阻抗的这种差异可能会在INA中引入输入偏置电流，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，输入侧的不平衡线可能会导致错误。因此，必须确保INA输入线平衡且尽可能短。

第二个错误是关于INA增益设置电阻Rgain。 Rgain焊盘的U1引脚长于实际所需的长度，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，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，因此额外的电容可能会导致稳定性问题。因此，请确保连接增益设置电阻的线路应尽可能短。

最后，可能需要改善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。

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图7显示校正这三种误差后的布局。

在图7中，可以看出R1和R2与分流电阻的线路长度相同且为开尔文使用连接。 INA引脚的增益设置电阻尽可能短，参考缓冲电路尽可能靠近参考引脚。

如果如果您希望将来为INA布置PCB，请务必遵循以下准则：

1。确保输入侧的所有线都完全平衡;

2。减小线路长度并最小化增益设置引脚上的电容;

3。将参考缓冲电路尽可能靠近INA参考引脚排列;

4。将去耦电容尽可能靠近电源引脚排列;

5。至少覆盖一个坚固的地平面;

6。为了将丝网用于组件，不要牺牲良好的布局;

7。请遵循本文第一部分中提到的准则。

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