PCB设计：功放PCB布线技巧介绍

PCB设计：功放PCB布线技巧介绍

在电路设计过程中，应用工程师常常忽略印刷电路板（PCB）的布局。 一个常见的问题是电路原理图是正确的，但它不起作用，或者只能在低性能下运行。 我将向您展示如何正确布置运算放大器的电路板，以确保其功能、性能和鲁棒性。

最近，我和一名实习生一起研究 OPA191 运算放大器，该运算放大器具有 2V/V 增益、10k Ω 负载和+/- 15V 电源电压的同相配置。

我请实习生进行设计的布局，并给了他关于PCB布局的一般指导（例如，尽量减少电路板的布线路径，尽量保持元件紧密排列，以减少占用的空间） 电路板），然后让他自己设计。 设计过程有多难？ 只是几个电阻和电容，不是吗？

看到他的第一次布局尝试，我发现电路板的布局并不像我想象的那么直观； 我至少应该给他一些更详细的指导。 他在设计上完全遵循了我的建议：缩短布线路径并将部件紧密地组合在一起。 然而，为了降低电路板的寄生阻抗并优化其性能，这种布局仍有很大的改进空间。

下一步是改进布局。 我们所做的第一个改进是将电阻R1和R2移至OPA191的反相引脚（引脚2）； 这有助于减少反相引脚的杂散电容。 运算放大器的反相引脚为高阻抗节点，因此具有较高的灵敏度。 较长的布线路径可用作导体，将高频噪声耦合到信号链中。 反相引脚上的 PCB 电容可能会导致稳定性问题。 因此，沉脚上的触点应尽可能小。

将 R1 和 R2 移至引脚 2 可使负载电阻 R3 旋转 180 度，从而使去耦电容 C1 更靠近 OPA191 的正电源引脚（引脚 7）。 重要的是去耦电容器尽可能靠近电源引脚。 如果去耦电容与电源引脚之间的布线路径很长，电源引脚的电感将会增大，从而降低性能。

将零件移动到新位置后，您仍然可以进行一些其他改进。 您可以加宽走线路径以减小电感，其相当于走线路径连接的焊盘的尺寸。 电路板的顶部和底部接地层也可以进行灌浆，以为返回电流创建可靠的低阻抗路径。

下次布局印刷电路板时，建议您遵循以下布局约定：

1、 尽量减少反相引脚的连接。

2、将去耦电容尽可能靠近电源引脚放置。

3、 如果使用多个去耦电容，请将最小的去耦电容放置在最靠近电源引脚的位置。

4、不要在去耦电容和电源引脚之间放置过孔。

5、尽可能扩展路由路径。

上面我们谈到了仪表放大器（运放）PCB的正确布局，并提供了一系列良好的布局实践供参考。 接下来，我们将讨论布置仪表放大器 (INA) 时的常见错误，然后展示如何正确布置 INA PCB。

INA 用于需要差分电压放大的应用，例如测量高端电流检测应用中分流电阻器上的电压。

差分电压通过 RSHUNT 测量。 R1、R2、C1、C2和C3用于提供共模和差模滤波，R3和C4用于为U1 INA提供输出滤波，U2用于缓冲INA参考引脚，R4和C5用于形成一个 低通滤波器可大大降低运算放大器向 INA 参考引脚引入的噪声。

第一个错误是通过电阻测量差分电压 Rshunt。 可以看出，导线Rshunt到R2的电阻比导线Rshunt到R1的电阻短。 这种线路阻抗差异可能会将输入偏置电流引入 INA，从而在 U1 输入侧产生差分电压。 由于INA的任务是放大差分电压，因此输入侧的线路不平衡可能会产生误差。 因此，需要保证INA输入线平衡且尽可能短。

第二个误差与 INA 增益设置电阻 Rgain 有关。 从U1引脚到Rgain焊盘的长度比实际所需的长度长，因此会产生额外的电阻和电容。 由于增益取决于 INA 增益设置引脚、引脚 1 和引脚 8 之间的电阻，因此额外的电阻可能会导致目标增益不正确。 由于 INA 的增益设置引脚连接到 INA 的反馈部分，额外的电容可能会导致稳定性问题。 因此，请确保连接增益设置电阻的线路尽可能短。

那么，可能需要改进缓冲电路的参考引脚的位置。 参考引脚缓冲电路距离参考引脚较远，这可能会增加参考引脚的电阻，导致噪声或其他信号耦合到线路中。 参考引脚上的附加电阻可能会降低大多数 INA 提供的高共模抑制比 (CMRR)。 因此，参考引脚缓冲电路应尽可能靠近 INA 参考引脚放置。

如果您将来想为 INA 布局 PCB，请遵循以下指南：

1、确保输入端所有线路完全平衡；

2、减少线路长度并最小化增益设置引脚上的电容；

3、参考缓冲电路尽量靠近INA参考引脚布置；

4、去耦电容尽量靠近电源引脚布置；

5、至少覆盖一层坚实的地平面；

6、不要为了电子元件丝印而牺牲良好的布局；

7、 遵循本文第一部分中提到的准则。 PCB设计和PCB加工制造商展示了如何正确布置运算放大器的电路板，以确保其功能、性能和鲁棒性。