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在電路設計過程中，應用工程師往往會忽視印刷電路板(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，或僅以低性能運行。在本文中，我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。 最近，我與一名實習生在利用增益為2V/V、負荷為10kΩ、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。 
圖1：采用非反相配置的OPA191]OPA191原理圖 我讓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（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。
圖2：首次布局嘗試方案 看到他的首次布局嘗試，我意識到了電路板布局并不像我想象的那樣直觀；我至少應該為他做一些更詳細的指導。他在設計時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化其性能。 接下來就是對布局的改進。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，讓高頻噪聲耦合進信號鏈。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。
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。
圖4：最終布局 下一次當您布設印刷電路板時，建議您遵循以下布設慣例： 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。 上文中，我們談到了布局儀表放大器（運放）PCB的正確方法，并提供了一系列可供參考的良好布局實踐。接下來，將探討布局儀表放大器(instrumentation amplifier，INA)時常見的錯誤，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用，如測量通過高側電流感應應用中分流電阻的電壓。圖5所示為典型單電源高側電流感應電路的原理圖。
圖5：高側電流感應原理圖 圖5測量的是通過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，造成電路性能下降。圖6顯示了工作人員在檢查INA布局時常見的三種錯誤。
圖6：INA常見PCB布局 從上圖可見，第一個錯誤是對通過電阻器差分電壓Rshunt的測量方式。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引入INA的輸入偏置電流在U1輸入側造成差分電壓。由于INA的任務是放大差分電壓，因此，如果輸入側的線路不平衡可能會導致出現錯誤。因此，需確保INA輸入線路的平衡并盡可能短。 第二個錯誤則是關于INA增益設置電阻Rgain的。U1引腳到Rgain焊墊的線路長于實際所需長度，因此會造成額外的電阻和電容。由于增益取決于INA增益設置引腳、引腳1和引腳8之間的電阻，額外的電阻可能帶來錯誤的目標增益。而由于INA的增益設置引腳連接著INA內的反饋節，額外的電容可能造成穩定性問題。因此，需確保連接增益設置電阻的線路應盡可能短。 最后，可能需要改進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的位置，這可能增加連接參考引腳的電阻，導致噪聲或其他信號可能耦合到線路中。參考引腳上額外的電阻可能會降低大多數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所示為糾正這三類錯誤后的布局。
圖7：糾正三類錯誤后的PCB布局 在圖7中，可以看到R1和R2到分流電阻的線路長度相同，并采用了一個開爾文連接。增益設置電阻到INA引腳的線路做到了盡可能短，基準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，請確保遵循以下原則： 確保輸入側所有線路完全平衡； 減少線路長度并最大程度降低增益設置引腳上的電容； 將基準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； 至少覆設一個實心接地層； 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。 |
