印刷電路板(PCB)的布局操作實例解析

在電路設(shè)計過程中，應(yīng)用工程師往往會忽視印刷電路板(PCB)的布局。通常遇到的問題是，電路的原理圖是正確的，但并不起作用，或僅以低性能運行。在本文中，我將向您介紹如何正確地布設(shè)運算放大器的電路板以確保其功能、性能和穩(wěn)健性。

最近，我與一名實習(xí)生在利用增益為2V/V、負荷為10k?、電源電壓為+/-15V的非反相配置OPA191運算放大器進行設(shè)計。圖1所示為該設(shè)計的原理圖。

圖1：采用非反相配置的OPA191]OPA191原理圖

我讓實習(xí)生為該設(shè)計布設(shè)電路板，同時為他做了PCB布設(shè)方面的一般指導(dǎo)（例如：盡可能縮短電路板的走線路徑，盡量將組件保持緊密排布，以減小電路板所占空間），然后讓他自行設(shè)計。設(shè)計過程到底有多難？其實就是幾個電阻器和電容器罷了，不是嗎？圖2所示為他首次嘗試設(shè)計的布局。紅線為電路板頂層的路徑，而藍線為底層的路徑。

圖2：首次布局嘗試方案

看到他的首次布局嘗試，我意識到了電路板布局并不像我想象的那樣直觀；我至少應(yīng)該為他做一些更詳細的指導(dǎo)。他在設(shè)計時完全遵從了我的建議：縮短了走線路徑，并將各部件緊密地排布在一起。但其實這種布局還有很大的改善空間，以便減小電路板寄生阻抗并優(yōu)化其性能。接下來就是對布局的改進。我們所做的首項改進是將電阻R1和R2移至OPA191的倒相引腳（引腳2）旁；這樣有助于減小倒相引腳的雜散電容。運算放大器的倒相引腳是一個高阻抗節(jié)點，因此靈敏度較高。較長的走線路徑可以作為電線，讓高頻噪聲耦合進信號鏈。倒相引腳上的PCB電容會引發(fā)穩(wěn)定性問題。因此，倒相引腳上的接點應(yīng)該越小越好。將R1和R2移至引腳2旁，可以讓負荷電阻器R3旋轉(zhuǎn)180度，從而使去耦電容器C1更貼近OPA191的正電源引腳（引腳7）。讓去耦電容器盡可能貼近電源引腳，這一點極其重要。如果去耦電容器與電源引腳之間的走線路徑較長，會增大電源引腳的電感，從而降低性能。我們所做的另一項改進在于第二個去耦電容器C2。不應(yīng)將VCC與C2的導(dǎo)孔連接放在電容器和電源引腳之間，而應(yīng)布設(shè)在供電電壓必須通過電容器進入器件電源引腳的位置。圖3顯示了移動每個部件和導(dǎo)孔從而改善布局的方法。

圖3：改進布局的各部件位置

將各部件移至新位置后，仍可以做一些其他改進。您可以加寬走線路徑，以減小電感，即相當(dāng)于走線路徑所連接的焊盤尺寸。還可以灌流電路板頂層和底層的接地層，從而為返回電流創(chuàng)造一個堅實的低阻抗路徑。圖4所示為我們的最終布局。

圖4：最終布局

下一次當(dāng)您布設(shè)印刷電路板時，建議您遵循以下布設(shè)慣例：

盡量縮短倒相引腳的連接。

讓去耦電容器盡量靠近電源引腳。

如果使用了多個去耦電容器，將最小的去耦電容器放在離電源引腳最近的位置。

不要將導(dǎo)孔置于去耦電容和電源引腳之間。

盡可能擴寬走線路徑。

不要讓走線路徑上出現(xiàn)90度的角。

灌流至少一個堅實的接地層。

不要為了用絲印層來標(biāo)示部件而舍棄良好的布局。

上文中，我們談到了布局儀表放大器（運放）PCB的正確方法，并提供了一系列可供參考的良好布局實踐。接下來，將探討布局儀表放大器(instrumentation amplifier，INA)時常見的錯誤，然后展示INA PCB如何正確布局。INA 用于要求放大差分電壓的應(yīng)用，如測量通過高側(cè)電流感應(yīng)應(yīng)用中分流電阻的電壓。圖5所示為典型單電源高側(cè)電流感應(yīng)電路的原理圖。

圖5：高側(cè)電流感應(yīng)原理圖

圖5測量的是通過RSHUNT的差分電壓，R1、R2、C1、C2和C3用于提供共模和差模濾波，R3和C4提供U1 INA的輸出濾波，U2用于緩沖INA的參考引腳。R4和C5用于形成低通濾波器，將運放給INA參考引腳帶來的噪音降至最低。雖然圖5中的原理圖布局看起來很直觀，但卻非常容易在PCB布局中出錯，造成電路性能下降。圖6顯示了工作人員在檢查INA布局時常見的三種錯誤。

圖6：INA常見PCB布局

從上圖可見，第一個錯誤是對通過電阻器差分電壓Rshunt的測量方式?？梢钥吹絉shunt到R2的線路較短，因此其電阻要小于Rshunt到R1線路的電阻。這一線路阻抗上的差異可能會引入INA的輸入偏置電流在U1輸入側(cè)造成差分電壓。由于INA的任務(wù)是放大差分電壓，因此，如果輸入側(cè)的線路不平衡可能會導(dǎo)致出現(xiàn)錯誤。因此，需確保INA輸入線路的平衡并盡可能短。第二個錯誤則是關(guān)于INA增益設(shè)置電阻Rgain的。U1引腳到Rgain焊墊的線路長于實際所需長度，因此會造成額外的電阻和電容。由于增益取決于INA增益設(shè)置引腳、引腳1和引腳8之間的電阻，額外的電阻可能帶來錯誤的目標(biāo)增益。而由于INA的增益設(shè)置引腳連接著INA內(nèi)的反饋節(jié)，額外的電容可能造成穩(wěn)定性問題。因此，需確保連接增益設(shè)置電阻的線路應(yīng)盡可能短。最后，可能需要改進緩沖電路參考引腳的位置。參考引腳緩沖電路位于距離參考引腳較遠的位置，這可能增加連接參考引腳的電阻，導(dǎo)致噪聲或其他信號可能耦合到線路中。參考引腳上額外的電阻可能會降低大多數(shù)INA提供的高共模抑制比(CMRR)。因此，需將參考引腳緩沖電路安排在盡可能靠近INA參考引腳的位置。

圖7：糾正三類錯誤后的PCB布局

在圖7中，可以看到R1和R2到分流電阻的線路長度相同，并采用了一個開爾文連接。增益設(shè)置電阻到INA引腳的線路做到了盡可能短，基準(zhǔn)緩沖電路也盡可能靠近參考引腳。如果您今后要為INA布局PCB，請確保遵循以下原則：

確保輸入側(cè)所有線路完全平衡；

減少線路長度并最大程度降低增益設(shè)置引腳上的電容；

將基準(zhǔn)緩沖電路安排在盡可能靠近INA參考引腳的位置；

將解耦電容安排在盡可能靠近電源引腳的位置；

至少覆設(shè)一個實心接地層；

不要為了給元件使用絲印而犧牲良好的布局；

遵循本文第一部分中提到的指南