如何正确地布设运算放大器

周四, 2 九月 2021 - 10:13

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。

那如何正确地布设运算放大器的电路板以确保其功能、性能和稳健性呢？

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

经验总结

当布设印刷电路板时，务必遵循以下布设惯例：

1 尽量缩短倒相引脚的连接；

2 让去耦电容器尽量靠近电源引脚。

3 如果使用了多个去耦电容器，将的去耦电容器放在离电源引脚近的位置。

4 不要将导孔置于去耦电容和电源引脚之间。

5 尽可能扩宽走线路径。

6 不要让走线路径上出现90度的角。

7 灌流至少一个坚实的接地层。

8 不要为了用丝印层来标示部件而舍弃良好的布局。

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