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在電路設(shè)計(jì)過程中,，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,。
圖1：采用非反相配置的OPA191]OPA191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,。
圖2：首次布局嘗試方案
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,。
圖3：改進(jìn)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(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,。
圖4：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,，將探討布局儀表放大器(instrumentation amplifier，INA)時(shí)常見的錯(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)量通過高側(cè)電流感應(yīng)應(yīng)用中分流電阻的電壓,。圖5所示為典型單電源高側(cè)電流感應(yīng)電路的原理圖,。
圖5：高側(cè)電流感應(yīng)原理圖
圖5測(cè)量的是通過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參考引腳帶來的噪音降至最低。
雖然圖5中的原理圖布局看起來很直觀,，但卻非常容易在PCB布局中出錯(cuò),，造成電路性能下降。圖6顯示了工作人員在檢查INA布局時(shí)常見的三種錯(cuò)誤,。
圖6：INA常見PCB布局
從上圖可見,，第一個(gè)錯(cuò)誤是對(duì)通過電阻器差分電壓Rshunt的測(cè)量方式?？梢钥吹絉shunt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,。
圖7：糾正三類錯(cuò)誤后的PCB布局
在圖7中，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
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