如何为运算放大器布设电路板

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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。在本篇博文中，我将向您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。


    最近在利用增益为2V/V、负荷为10kΩ、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

        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所示为他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，我意识到电路板布局并不像我想象的那样直观；我应该为他做一些更详细的指导。他在设计时完全遵从了我们的建议，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。


      我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。


     我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

      将各部件移至新位置后，仍可以做一些其他改进。您可以加宽走线路径，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所示为我们的最终布局。

下一次当您布设印刷电路板时，务必遵循以下布设惯例：


尽量缩短倒相引脚的连接。
让去耦电容器尽量靠近电源引脚。
如果使用了多个去耦电容器，将最小的去耦电容器放在离电源引脚最近的位置。
不要将导孔置于去耦电容和电源引脚之间。
尽可能扩宽走线路径。
不要让走线路径上出现90度的角。
灌流至少一个坚实的接地层。
不要为了用丝印层来标示部件而舍弃良好的布局。