在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)用工程師往往會(huì)忽視印刷電路板(PCB)的布局。通常遇到的問(wèn)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(yùn)行。在本文中，我將向您介紹如何正確地布設(shè)運(yùn)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(shí)習(xí)生在利用增益為2V/V、負(fù)荷為10k?、電源電壓為+/-15V的非反相配置OPA191運(yùn)算放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖1所示為該設(shè)計(jì)的原理圖。
我讓實(shí)習(xí)生為該設(shè)計(jì)布設(shè)電路板，同時(shí)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(jì)。設(shè)計(jì)過(guò)程到底有多難?其實(shí)就是幾個(gè)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(jì)的布局。紅線為電路板頂層的路徑，而藍(lán)線為底層的路徑。
看到他的首次布局嘗試，我意識(shí)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(xì)的指導(dǎo)。他在設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)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(lái)就是對(duì)布局的改進(jìn)。我們所做的首項(xiàng)改進(jìn)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(yùn)算放大器的倒相引腳是一個(gè)高阻抗節(jié)點(diǎn)，因此靈敏度較高。較長(zhǎng)的走線路徑可以作為電線，讓高頻噪聲耦合進(jìn)信號(hào)鏈。倒相引腳上的PCB電容會(huì)引發(fā)穩(wěn)定性問(wèn)題。因此，倒相引腳上的接點(diǎn)應(yīng)該越小越好。
將R1和R2移至引腳2旁，可以讓負(fù)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(diǎn)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(zhǎng)，會(huì)增大電源引腳的電感，從而降低性能。
我們所做的另一項(xiàng)改進(jìn)在于第二個(gè)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(guò)電容器進(jìn)入器件電源引腳的位置。圖3顯示了移動(dòng)每個(gè)部件和導(dǎo)孔從而改善布局的方法。
將各部件移至新位置后，仍可以做一些其他改進(jìn)。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(gè)堅(jiān)實(shí)的低阻抗路徑。圖4所示為我們的最終布局。
下一次當(dāng)您布設(shè)印刷電路板時(shí)，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(gè)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(kuò)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(gè)堅(jiān)實(shí)的接地層。
不要為了用絲印層來(lái)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(yùn)放)PCB的正確方法，并提供了一系列可供參考的良好布局實(shí)踐。接下來(lái)，將探討布局儀表放大器(instrumentation amplifier，INA)時(shí)常見(jiàn)的錯(cuò)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(cè)量通過(guò)高側(cè)電流感應(yīng)應(yīng)用中分流電阻的電壓。 所示為典型單電源高側(cè)電流感應(yīng)電路的原理圖。
測(cè)量的是通過(guò)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(yùn)放給INA參考引腳帶來(lái)的噪音降至最低。
雖然中的原理圖布局看起來(lái)很直觀，但卻非常容易在PCB布局中出錯(cuò)，造成電路性能下降。
第一個(gè)錯(cuò)誤是對(duì)通過(guò)電阻器差分電壓Rshunt的測(cè)量方式。可以看到Rshunt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(huì)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(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)錯(cuò)誤。因此，需確保INA輸入線路的平衡并盡可能短。
第二個(gè)錯(cuò)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(zhǎng)于實(shí)際所需長(zhǎng)度，因此會(huì)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(lái)錯(cuò)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(wèn)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(jìn)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(yuǎn)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(hào)可能耦合到線路中。參考引腳上額外的電阻可能會(huì)降低大多數(shù)INA提供的高共模抑制比(CMRR)。因此，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。
可以看到R1和R2到分流電阻的線路長(zhǎng)度相同，并采用了一個(gè)開(kāi)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(qǐng)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(zhǎng)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(gè)實(shí)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