如何正確布置運(yùn)算放大器的電路板

在電路設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)用工程師傾向于忽略印刷電路板（PCB）的布局。一個(gè)常見的問題是電路的原理圖是正確的，但它不起作用，或者只能以低性能運(yùn)行。在本文中，我將向您展示如何正確布置運(yùn)算放大器的板以確保其功能，性能和穩(wěn)健性。

最近，我與一名實(shí)習(xí)生一起工作同相配置OPA191運(yùn)算放大器，增益為2V/V，負(fù)載為10kΩ，電源電壓為+/- 15V。圖1顯示了該設(shè)計(jì)的原理圖。

圖1：具有非反相配置的OPA191原理圖OPA191原理圖

我要求實(shí)習(xí)生為設(shè)計(jì)布置電路板，同時(shí)給了他關(guān)于PCB布局的一般指導(dǎo)（例如：盡量減少電路板的布線路徑，盡量保持組件緊密排列，以減少電路板占用空間），然后讓他自己設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程有多難？事實(shí)上，它只是幾個(gè)電阻器和電容器，不是嗎？圖2顯示了他首次嘗試設(shè)計(jì)的布局。紅線是電路板頂部的路徑，藍(lán)線是底部路徑。

圖2：第一次布局嘗試

看到他的第一次布局嘗試，我意識(shí)到電路板布局并不像我想象的那么直觀;我至少應(yīng)該為他做一些更詳細(xì)的指導(dǎo)。他完全遵循我的設(shè)計(jì)建議：縮短布線路徑并將零件緊密放在一起。但是，為了降低電路板的寄生阻抗并優(yōu)化其性能，這種布局仍有很大的改進(jìn)空間。

下一步是改進(jìn)布局。我們做的第一個(gè)改進(jìn)是將電阻R1和R2移到OPA191的反相引腳（引腳2）;這有助于降低反相引腳的雜散電容。運(yùn)算放大器的反相引腳是高阻抗節(jié)點(diǎn)，因此具有高靈敏度。較長(zhǎng)的跡線路徑可用作導(dǎo)線，將高頻噪聲耦合到信號(hào)鏈中。反相引腳上的PCB電容會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定性問題。因此，反相引腳上的觸點(diǎn)應(yīng)盡可能小。

將R1和R2移到引腳2可使負(fù)載電阻R3旋轉(zhuǎn)180度，從而帶來將電容器C1去耦靠近OPA191的正電源引腳（引腳7）。去耦電容盡可能靠近電源引腳是非常重要的。如果去耦電容和電源引腳之間的走線路徑較長(zhǎng)，則電源引腳的電感會(huì)增加，從而降低性能。

圖3：改進(jìn)布局的各個(gè)部分的位置

將零件移動(dòng)到新位置后，您仍然可以進(jìn)行一些其他改進(jìn)。您可以加寬走線路徑以減小電感，這相當(dāng)于走線路徑所連接的焊盤的尺寸。還可以灌注電路板的頂部和底部接地平面，以為返回電流創(chuàng)建堅(jiān)固的低阻抗路徑。圖4顯示了我們的最終布局。

圖4：最終布局

下次布置印刷電路板時(shí)，建議您遵循以下布局約定：

1。最小化反相引腳的連接。

2。將去耦電容盡可能靠近電源引腳放置。

3。如果使用多個(gè)去耦電容，則將最小的去耦電容放在最靠近電源引腳的位置。

4。請(qǐng)勿在去耦電容和電源引腳之間放置過孔。

5。盡可能擴(kuò)展布線路徑。

在上面，我們討論了布置儀表放大器（op amp）PCB的正確方法并提供了一系列好的布局實(shí)踐以供參考。接下來，我們將探討在布置儀表放大器（INAs）時(shí)常見的錯(cuò)誤，然后展示如何正確布局INA PCB。

INA用于需要放大的應(yīng)用中差分電壓，例如測(cè)量高端電流檢測(cè)應(yīng)用中分流電阻兩端的電壓。圖5顯示了典型的單電源高側(cè)電流檢測(cè)電路的原理圖。

圖5：高端電流檢測(cè)原理圖

圖5測(cè)量通過RSHUNT，R1，R2，C1，C2和C3的差分電壓用于提供共模和差模濾波，R3和C4為U1 INA提供輸出濾波，U2用于緩沖INA參考引腳。 R4和C5用于形成低通濾波器，可最大限度地降低運(yùn)算放大器引入INA參考引腳的噪聲。

盡管圖5中的原理圖布局似乎很直觀，在PCB布局中很容易出錯(cuò)，導(dǎo)致電路性能下降。圖6顯示了工作人員在檢查INA布局時(shí)遇到的三個(gè)常見錯(cuò)誤。

圖6：INA通用PCB布局

從上圖可以看出，第一個(gè)誤差是通過電阻測(cè)量差分電壓Rshunt?？梢钥闯鯮shunt到R2線路較短，因此其電阻小于Rshunt到R1線路的電阻。線路阻抗的這種差異可能會(huì)在INA中引入輸入偏置電流，從而在U1輸入側(cè)產(chǎn)生差分電壓。由于INA的任務(wù)是放大差分電壓，輸入側(cè)的不平衡線可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤。因此，必須確保INA輸入線平衡且盡可能短。

第二個(gè)錯(cuò)誤是關(guān)于INA增益設(shè)置電阻Rgain。 Rgain焊盤的U1引腳長(zhǎng)于實(shí)際所需的長(zhǎng)度，因此會(huì)產(chǎn)生額外的電阻和電容。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，額外的電阻可能會(huì)帶來錯(cuò)誤的目標(biāo)增益。由于INA的增益設(shè)置引腳連接到INA中的反饋部分，因此額外的電容可能會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定性問題。因此，請(qǐng)確保連接增益設(shè)置電阻的線路應(yīng)盡可能短。

最后，可能需要改善緩沖電路參考引腳的位置。參考引腳緩沖電路遠(yuǎn)離參考引腳，這可能會(huì)增加參考引腳的電阻，導(dǎo)致噪聲或其他信號(hào)耦合到線路中。參考引腳上的額外電阻可能會(huì)降低大多數(shù)INA提供的高共模抑制比（CMRR）。因此，參考引腳緩沖電路應(yīng)盡可能靠近INA參考引腳。

圖7顯示校正這三種誤差后的布局。

在圖7中，可以看出R1和R2與分流電阻的線路長(zhǎng)度相同且為開爾文使用連接。 INA引腳的增益設(shè)置電阻盡可能短，參考緩沖電路盡可能靠近參考引腳。

如果如果您希望將來為INA布置PCB，請(qǐng)務(wù)必遵循以下準(zhǔn)則：

1。確保輸入側(cè)的所有線都完全平衡;

2。減小線路長(zhǎng)度并最小化增益設(shè)置引腳上的電容;

3。將參考緩沖電路盡可能靠近INA參考引腳排列;

4。將去耦電容盡可能靠近電源引腳排列;

5。至少覆蓋一個(gè)堅(jiān)固的地平面;

6。為了將絲網(wǎng)用于組件，不要犧牲良好的布局;

7。請(qǐng)遵循本文第一部分中提到的準(zhǔn)則。