放大器PCB接線(xiàn)技巧

2021-11-13

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

最近，我与一名实习生一起研究了增益為(wèi)2V/V、负载為(wèi)10kΩ、電(diàn)源電(diàn)压為(wèi)+/-15V的同相配置OPA191运算放大器。图1显示了设计的原理(lǐ)图。

图1：具有(yǒu)同相配置的OPA191原理(lǐ)图OPA191原理(lǐ)图

我让实习生為(wèi)设计做布板，同时给了他(tā)关于PCB布局的一般指导（例如：尽量减少電(diàn)路板的走線(xiàn)路径，尽量保持元件排列紧密，以减少電(diàn)路板占用(yòng)空间） ）空间），然后让他(tā)自己设计。设计过程有(yǒu)多(duō)难？其实就是几个電(diàn)阻電(diàn)容而已，不是吗？图2显示了他(tā)最初尝试设计的布局。红線(xiàn)是到板子顶部的路径，蓝線(xiàn)是底部路径。

图 2：第一次布局尝试

看到他(tā)的第一次布局尝试，我意识到電(diàn)路板布局并不像我想象的那么直观；我至少应该给他(tā)做一些更详细的指导。他(tā)在设计上完全遵循了我的建议：缩短布線(xiàn)路径并将零件紧密地放在一起。但是，為(wèi)了降低電(diàn)路板的寄生阻抗并优化其性能(néng)，这种布局仍有(yǒu)很(hěn)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電(diàn)阻器R1和R2移到OPA191的反相引脚（引脚 2）；这有(yǒu)助于减少反相引脚的杂散電(diàn)容。运算放大器的反相引脚是一个高阻抗节点，因此具有(yǒu)高灵敏度。较長(cháng)的走線(xiàn)路径可(kě)用(yòng)作将高频噪声耦合到信号链中的导線(xiàn)。反相引脚上的PCB電(diàn)容会导致稳定性问题。因此，反相引脚上的触点应尽可(kě)能(néng)小(xiǎo)。

将R1和R2移至引脚2允许负载電(diàn)阻器R3旋转180度，从而使去耦電(diàn)容器C1更靠近 OPA191的正電(diàn)源引脚（引脚 7）。去耦電(diàn)容尽可(kě)能(néng)靠近電(diàn)源引脚非常重要。如果去耦電(diàn)容和電(diàn)源引脚之间的走線(xiàn)路径很(hěn)長(cháng)，電(diàn)源引脚的電(diàn)感会增加，从而降低性能(néng)。

图 3：改进布局各部分(fēn)的位置

将零件移动到新(xīn)位置后，您仍然可(kě)以进行一些其他(tā)改进。您可(kě)以加宽走線(xiàn)路径以降低電(diàn)感，这相当于走線(xiàn)路径所连接的焊盘的尺寸。还可(kě)以对電(diàn)路板的顶部和底部接地层进行灌注，从而為(wèi)返回電(diàn)流创建可(kě)靠的低阻抗路径。图4显示了我们的最终布局。

图4：最终布局

下次布局印刷電(diàn)路板时，建议您遵循以下布局约定：

1. 尽量减少反相引脚的连接。

2. 将去耦電(diàn)容尽可(kě)能(néng)靠近電(diàn)源引脚放置。

3. 如果使用(yòng)多(duō)个去耦電(diàn)容，请将最小(xiǎo)的去耦電(diàn)容放置在最靠近電(diàn)源引脚的位置。

4. 不要在去耦電(diàn)容和電(diàn)源引脚之间放置过孔。

5. 尽可(kě)能(néng)扩展路由路径。

在上文(wén)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(yòng)于需要放大差分(fēn)電(diàn)压的应用(yòng)，例如在高端電(diàn)流检测应用(yòng)中测量分(fēn)流電(diàn)阻器两端的電(diàn)压。图5显示了典型的单電(diàn)源高侧電(diàn)流检测電(diàn)路的原理(lǐ)图。

图5：高端電(diàn)流检测原理(lǐ)图

图5通过RSHUNT测量差分(fēn)電(diàn)压，R1、R2、C1、C2和C3用(yòng)于提供共模和差模滤波，R3和C4為(wèi)U1 INA提供输出滤波，U2用(yòng)于缓冲INA参考引脚. R4和C5用(yòng)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(lǐ)图布局看起来很(hěn)直观，但在PCB布局中很(hěn)容易出错，导致電(diàn)路性能(néng)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。

图 6：INA通用(yòng)PCB布局

从上图可(kě)以看出，第一个误差是通过電(diàn)阻测量差分(fēn)電(diàn)压Rshunt。可(kě)以看出Rshunt to R2線(xiàn)较短，因此其電(diàn)阻小(xiǎo)于Rshunt to R1線(xiàn)電(diàn)阻。線(xiàn)路阻抗的这种差异可(kě)能(néng)会将输入偏置電(diàn)流引入 INA，从而在U1输入侧产生差分(fēn)電(diàn)压。由于INA的任務(wù)是放大差分(fēn)電(diàn)压，输入侧的不平衡線(xiàn)路可(kě)能(néng)会导致错误。因此，需要保证INA输入線(xiàn)是平衡的，并且尽可(kě)能(néng)短。

第二个误差与INA增益设置電(diàn)阻Rgain有(yǒu)关。U1引脚到Rgain焊盘的長(cháng)度比实际需要的長(cháng)度要長(cháng)，因此会产生额外的電(diàn)阻和電(diàn)容。由于增益取决于INA增益设置引脚、引脚1和引脚8之间的電(diàn)阻，因此额外的電(diàn)阻可(kě)能(néng)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(fēn)，额外的電(diàn)容可(kě)能(néng)会导致稳定性问题。因此，确保连接增益设置電(diàn)阻的線(xiàn)路尽可(kě)能(néng)短。

然后，可(kě)能(néng)需要改进缓冲電(diàn)路参考引脚的位置。参考引脚缓冲電(diàn)路遠(yuǎn)离参考引脚，这可(kě)能(néng)会增加参考引脚的電(diàn)阻，导致噪声或其他(tā)信号耦合到線(xiàn)路中。参考引脚上的额外電(diàn)阻可(kě)能(néng)会降低大多(duō)数INA提供的高共模抑制比 (CMRR)。因此，参考引脚缓冲電(diàn)路应尽可(kě)能(néng)靠近INA参考引脚放置。

图7显示了纠正这三种错误后的布局。

在图7中，可(kě)以看到R1和R2到分(fēn)流電(diàn)阻器的線(xiàn)長(cháng)相同，并且使用(yòng)了开尔文(wén)连接。INA引脚的增益设置電(diàn)阻尽可(kě)能(néng)短，基准缓冲電(diàn)路尽可(kě)能(néng)靠近基准引脚。

如果您想在未来為(wèi)INA布置PCB，请務(wù)必遵循以下指南：

1、确保输入端所有(yǒu)線(xiàn)路完全平衡；

2. 减少線(xiàn)路長(cháng)度并最小(xiǎo)化增益设置引脚上的電(diàn)容；

3. 将参考缓冲電(diàn)路布置在尽可(kě)能(néng)靠近INA参考引脚的位置；

4、去耦電(diàn)容尽量靠近電(diàn)源引脚布置；

5. 至少覆盖一层实心地平面；

6.不要為(wèi)了電(diàn)子元件使用(yòng)丝印而牺牲良好的布局 ；

7. 遵循本文(wén)第一部分(fēn)中提到的准则。