在电路设计过程中,应用工程师往往会忽视印刷电路板(PCB)的布局。通常遇到的问题是,电路的原理图是正确的,但并不起作用,或仅以低性能运行。


在本篇文章中,牛人工程师将跟大家介绍如何正确地布设运算放大器的电路板以确保其功能、性能和稳健性。


事件重现

工程师与自己的实习生利用增益为2V/V、负荷为10k、电源电压为+/-15V的非反相配置OPA191运算放大器进行设计。图1所示为该设计的原理图。

 

图1 采用非反相配置的OPA191原理图

 

工程师指派实习生为该设计布设电路板,同时为他做了PCB布设方面的一般指导(即尽可能缩短电路板的走线路径,同时将组件保持紧密排布,以减小电路板空间),然后让他自行设计。

 

设计过程到底有多难?其实就是几个电阻器和电容器罢了,不是吗?

 

图2所示为实习生首次尝试设计的布局。红线为电路板顶层的路径,而蓝线为底层的路径。

 

图2 首次布局尝试方案

 

当时意识到电路板布局并不像自己想象的那样直观,工程师觉得应该为实习生做一些更详细的指导。实习生在设计时完全遵从了他的建议,缩短了走线路径,并将各部件紧密地排布在一起。但这种布局还可以进一步改善,从而减小电路板寄生阻抗并优化其性能。

 

他们所做的首项改进是将电阻R1和R2移至OPA191的倒相引脚(引脚2)旁;这样有助于减小倒相引脚的杂散电容。

 

运算放大器的倒相引脚是一个高阻抗节点,因此灵敏度较高。较长的走线路径可以作为电线,让高频噪音耦合进信号链。倒相引脚上的PCB电容会引发稳定性问题。因此,倒相引脚上的接点应该越小越好。

 

将R1和R2移至引脚2旁,可以让负荷电阻器R3旋转180度,从而使去耦电容器C1更贴近OPA191的正电源引脚(引脚7)。让去耦电容器尽可能贴近电源引脚,这一点极其重要。如果去耦电容器与电源引脚之间的走线路径较长,会增大电源引脚的电感,从而降低性能。

 

他们所做的另一项改进在于第二个去耦电容器C2。不应将VCC与C2的导孔连接放在电容器和电源引脚之间,而应布设在供电电压必须通过电容器进入器件电源引脚的位置。

 

图3显示了移动每个部件和导孔从而改善布局的方法。

 

图3 改进布局的各部件位置

 

可以加宽走线路径,以减小电感,即相当于走线路径所连接的焊盘尺寸。还可以灌流电路板顶层和底层的接地层,从而为返回电流创造一个坚实的低阻抗路径。图4所示为终布局。

 

图4 终布局