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教程:如何正確地布設運算放大器的電路板

2022-12-30
來源:項華電子DXE

  在電路設計過程中,應用工程師往往會忽視PCB的布局。通常遇到的問題是,電路的原理圖是正確的,但并不起作用,或僅以低性能運行……你也碰到過嗎?在這篇文中,TI 應用工程師TImothy Claycomb 將向您介紹如何正確地布設運算放大器的電路板以確保其功能、性能和穩健性↓↓↓

  我與一名實習生最近在利用增益為2V/V、負荷為10k?、電源電壓為+/-15V的非反相配置OPA191運算放大器進行設計。圖1所示為該設計的原理圖。

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  圖1:采用非反相配置的OPA191原理圖

  我指派實習生為該設計布設電路板,同時為他做了PCB布設方面的一般指導(即盡可能縮短電路板的走線路徑,同時將組件保持緊密排布,以減小電路板空間),然后讓他自行設計。設計過程到底有多難?其實就是幾個電阻器和電容器罷了,不是嗎?

  圖2所示為他首次嘗試設計的布局。紅線為電路板頂層的路徑,而藍線為底層的路徑。

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  圖2:首次布局嘗試方案  當時,我意識到電路板布局并不像我想象的那樣直觀;我應該為他做一些更詳細的指導。他在設計時完全遵從了我們的建議,縮短了走線路徑,并將各部件緊密地排布在一起。但這種布局還可以進一步改善,從而減小電路板寄生阻抗并優化其性能。

  我們所做的首項改進是將電阻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。運算放大器的倒相引腳是一個高阻抗節點,因此靈敏度較高。較長的走線路徑可以作為電線,讓高頻噪音耦合進信號鏈。倒相引腳上的PCB電容會引發穩定性問題。因此,倒相引腳上的接點應該越小越好。

  將R1和R2移至引腳2旁,可以讓負荷電阻器R3旋轉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,會增大電源引腳的電感,從而降低性能。

  我們所做的另一項改進在于第二個去耦電容器C2。不應將VCC與C2的導孔連接放在電容器和電源引腳之間,而應布設在供電電壓必須通過電容器進入器件電源引腳的位置。

  圖3顯示了移動每個部件和導孔從而改善布局的方法。

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  圖3:改進布局的各部件位置  將各部件移至新位置后,仍可以做一些其他改進。您可以加寬走線路徑,以減小電感,即相當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,從而為返回電流創造一個堅實的低阻抗路徑。   圖4所示為我們的最終布局。

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  圖4:最終布局 下一次當您布設印刷電路板時,務必遵循以下布設慣例:

  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。

  不要將導孔置于去耦電容和電源引腳之間。

  盡可能擴寬走線路徑。

  不要讓走線路徑上出現90度的角。

  灌流至少一個堅實的接地層。

  不要為了用絲印層來標示部件而舍棄良好的布局。



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