PCB設(shè)計(jì)：功放PCB布線技巧介紹

在電路設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)用工程師常常忽略印刷電路板（PCB）的布局。 一個(gè)常見的問題是電路原理圖是正確的，但它不起作用，或者只能在低性能下運(yùn)行。 我將向您展示如何正確布置運(yùn)算放大器的電路板，以確保其功能、性能和魯棒性。

最近，我和一名實(shí)習(xí)生一起研究 OPA191 運(yùn)算放大器，該運(yùn)算放大器具有 2V/V 增益、10k Ω 負(fù)載和+/- 15V 電源電壓的同相配置。

我請(qǐng)實(shí)習(xí)生進(jìn)行設(shè)計(jì)的布局，并給了他關(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，盡量保持元件緊密排列，以減少占用的空間） 電路板），然后讓他自己設(shè)計(jì)。 設(shè)計(jì)過程有多難？ 只是幾個(gè)電阻和電容，不是嗎？

看到他的第一次布局嘗試，我發(fā)現(xiàn)電路板的布局并不像我想象的那么直觀； 我至少應(yīng)該給他一些更詳細(xì)的指導(dǎo)。 他在設(shè)計(jì)上完全遵循了我的建議：縮短布線路徑并將部件緊密地組合在一起。 然而，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。 我們所做的第一個(gè)改進(jìn)是將電阻R1和R2移至OPA191的反相引腳（引腳2）； 這有助于減少反相引腳的雜散電容。 運(yùn)算放大器的反相引腳為高阻抗節(jié)點(diǎn)，因此具有較高的靈敏度。 較長(zhǎng)的布線路徑可用作導(dǎo)體，將高頻噪聲耦合到信號(hào)鏈中。 反相引腳上的 PCB 電容可能會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定性問題。 因此，沉腳上的觸點(diǎn)應(yīng)盡可能小。

將 R1 和 R2 移至引腳 2 可使負(fù)載電阻 R3 旋轉(zhuǎn) 180 度，從而使去耦電容 C1 更靠近 OPA191 的正電源引腳（引腳 7）。 重要的是去耦電容器盡可能靠近電源引腳。 如果去耦電容與電源引腳之間的布線路徑很長(zhǎng)，電源引腳的電感將會(huì)增大，從而降低性能。

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，其相當(dāng)于走線路徑連接的焊盤的尺寸。 電路板的頂部和底部接地層也可以進(jìn)行灌漿，以為返回電流創(chuàng)建可靠的低阻抗路徑。

下次布局印刷電路板時(shí)，建議您遵循以下布局約定：

1、 盡量減少反相引腳的連接。

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，請(qǐng)將最小的去耦電容放置在最靠近電源引腳的位置。

4、不要在去耦電容和電源引腳之間放置過孔。

5、盡可能擴(kuò)展路由路徑。

上面我們談到了儀表放大器（運(yùn)放）PCB的正確布局，并提供了一系列良好的布局實(shí)踐供參考。 接下來，我們將討論布置儀表放大器 (INA) 時(shí)的常見錯(cuò)誤，然后展示如何正確布置 INA PCB。

INA 用于需要差分電壓放大的應(yīng)用，例如測(cè)量高端電流檢測(cè)應(yīng)用中分流電阻器上的電壓。

差分電壓通過 RSHUNT 測(cè)量。 R1、R2、C1、C2和C3用于提供共模和差模濾波，R3和C4用于為U1 INA提供輸出濾波，U2用于緩沖INA參考引腳，R4和C5用于形成一個(gè) 低通濾波器可大大降低運(yùn)算放大器向 INA 參考引腳引入的噪聲。

第一個(gè)錯(cuò)誤是通過電阻測(cè)量差分電壓 Rshunt。 可以看出，導(dǎo)線Rshunt到R2的電阻比導(dǎo)線Rshunt到R1的電阻短。 這種線路阻抗差異可能會(huì)將輸入偏置電流引入 INA，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，因此輸入側(cè)的線路不平衡可能會(huì)產(chǎn)生誤差。 因此，需要保證INA輸入線平衡且盡可能短。

第二個(gè)誤差與 INA 增益設(shè)置電阻 Rgain 有關(guān)。 從U1引腳到Rgain焊盤的長(zhǎng)度比實(shí)際所需的長(zhǎng)度長(zhǎng)，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，因此額外的電阻可能會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)增益不正確。 由于 INA 的增益設(shè)置引腳連接到 INA 的反饋部分，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)置電阻的線路盡可能短。

那么，可能需要改進(jìn)緩沖電路的參考引腳的位置。 參考引腳緩沖電路距離參考引腳較遠(yuǎn)，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。 參考引腳上的附加電阻可能會(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 參考引腳放置。

如果您將來想為 INA 布局 PCB，請(qǐng)遵循以下指南：

1、確保輸入端所有線路完全平衡；

2、減少線路長(zhǎng)度并最小化增益設(shè)置引腳上的電容；

3、參考緩沖電路盡量靠近INA參考引腳布置；

4、去耦電容盡量靠近電源引腳布置；

5、至少覆蓋一層堅(jiān)實(shí)的地平面；

6、不要為了電子元件絲印而犧牲良好的布局；

7、 遵循本文第一部分中提到的準(zhǔn)則。 PCB設(shè)計(jì)和PCB加工制造商展示了如何正確布置運(yùn)算放大器的電路板，以確保其功能、性能和魯棒性。