如何布设运算放大器的PCB电路板

电路设计历程中,利用工程师每每会漠视印刷电路板(PCB)的结构。平日碰到的问题是,电路的道理图是精确的,但并不起感化,或仅以低机能运行。在本文中,我将向您先容若何精确地布设运算放大年夜器电路板以确保其功能、机能和稳健性。

近来,我与一名训练生在使用增益为2V/V、负荷为10k?、电源电压为+/-15V的非反相设置设置设备摆设摆设OPA191运算放大年夜器进行设计。图1所示为该设计的道理图。

图1:采纳非反相设置设置设备摆设摆设的OPA191]OPA191道理图

我让训练生为该设计布设电路板,同时为他做了PCB布设方面的一样平常指示(例如:尽可能缩短电路板的走线路径,只管即便将组件维持慎密排布,以减小电路板所占空间),然后让他自行设计。设计历程到底有多灾?着实便是几个电阻器电容器罢了,不是吗?图2所示为他首次考试测验设计的结构。红线为电路板顶层的路径,而蓝线为底层的路径。

图2:首次结构考试测验规划

看到他的首次结构考试测验,我意识到了电路板结构并不像我想象的那样直不雅;我至少应该为他做一些更具体的指示。他在设计时完全服从了我的建议:缩短了走线路径,并将各部件慎密地排布在一路。但着实这种结构还有很大年夜的改良空间,以便减小电路板寄生阻抗并优化其机能。

接下来便是对结构的改进。我们所做的首项改进是将电阻R1和R2移至OPA191的倒相引脚(引脚2)旁;这样有助于减小倒相引脚的杂散电容。运算放大年夜器的倒相引脚是一个高阻抗节点,是以灵敏度较高。较长的走线路径可以作为电线,让高频噪声耦合进旌旗灯号链。倒相引脚上的PCB电容会激发稳定性问题。是以,倒相引脚上的接点应该越小越好。

将R1和R2移至引脚2旁,可以让负荷电阻器R3扭转180度,从而使去耦电容器C1更切近OPA191的正电源引脚(引脚7)。让去耦电容器尽可能切近电源引脚,这一点极其紧张。假如去耦电容器与电源引脚之间的走线路径较长,会增大年夜电源引脚的电感,从而低落机能。

我们所做的另一项改进在于第二个去耦电容器C2。不应将VCC与C2的导孔连接放在电容器和电源引脚之间,而应布设在供电电压必须经由过程电容器进入器件电源引脚的位置。图3显示了移动每个部件和导孔从而改良结构的措施。

图3:改进结构的各部件位置

将各部件移至新位置后,仍可以做一些其他改进。您可以加宽走线路径,以减小电感,即相称于走线路径所连接的焊盘尺寸。还可以灌流电路板顶层和底层的接地层,从而为返回电流创造一个坚实的低阻抗路径。图4所示为我们的终极结构。

图4:终极结构

下一次当您布设印刷电路板时,建议您遵照以下布设常规:

只管即便缩短倒相引脚的连接。

让去耦电容器只管即便接近电源引脚。

假如应用了多个去耦电容器,将最小的去耦电容器放在离电源引脚近来的位置。

不要将导孔置于去耦电容和电源引脚之间。

尽可能扩宽走线路径。

不要让走线路径上呈现90度的角。

灌流至少一个坚实的接地层。

不要为了用丝印层来标示部件而舍弃优越的结构。

上文中,我们谈到告终构仪表放大年夜器(运放)PCB的精确措施,并供给了一系列可供参考的优越结构实践。接下来,将探究结构仪表放大年夜器(instrumentation amplifier,INA)时常见的差错,然后展示INA PCB若何精确结构。

INA 用于要求放大年夜差分电压的利用,如丈量经由过程高侧电流感应利用平分流电阻的电压。图5所示为范例单电源高侧电流感应电路的道理图。

图5:高侧电流感应道理图

图5丈量的是经由过程RSHUNT的差分电压,R1、R2、C1、C2和C3用于供给共模和差模滤波,R3和C4供给U1 INA的输出滤波,U2用于缓冲INA的参考引脚。R4和C5用于形成低通滤波器,将运放给INA参考引脚带来的噪音降至最低。

虽然图5中的道理图结构看起来很直不雅,但却异常轻易在PCB结构中掉足,造成电路机能下降。图6显示了事情职员在反省INA结构时常见的三种差错。

图6:INA常见PCB结构

从上图可见,第一个差错是对经由过程电阻器差分电压Rshunt的丈量要领。可以看到Rshunt到R2的线路较短,是以其电阻要小于Rshunt到R1线路的电阻。这一线路阻抗上的差异可能会引入INA的输入偏置电流在U1输入侧造成差分电压。因为INA的义务是放大年夜差分电压,是以,假如输入侧的线路不平衡可能会导致呈现差错。是以,需确保INA输入线路的平衡并尽可能短。

第二个差错则是关于INA增益设置电阻Rgain的。U1引脚到Rgain焊垫的线路擅长实际所需长度,是以会造成额外的电阻和电容。因为增益取决于INA增益设置引脚、引脚1和引脚8之间的电阻,额外的电阻可能带来差错的目标增益。而因为INA的增益设置引脚连接着INA内的反馈节,额外的电容可能造成稳定性问题。是以,需确保连接增益设置电阻的线路应尽可能短。

着末,可能必要改进缓冲电路参考引脚的位置。参考引脚缓冲电路位于间隔参考引脚较远的位置,这可能增添连接参考引脚的电阻,导致噪声或其他旌旗灯号可能耦合到线路中。参考引脚上额外的电阻可能会低落大年夜多半INA供给的高共模抑制比(CMRR)。是以,需将参考引脚缓冲电路安排在尽可能接近INA参考引脚的位置。

图7:矫正三类差错后的PCB结构

在图7中,可以看到R1和R2到分流电阻的线路长度相同,并采纳了一个开尔文连接。增益设置电阻到INA引脚的线路做到了尽可能短,基准缓冲电路也尽可能接近参考引脚。

责任编辑;zl

您可能还会对下面的文章感兴趣: