教科書上絕對學不來的PCB布局秘籍(附:放大器PCB布線實例)

2020-12-25 電子工程專輯

上文中,我們談到了布局儀表放大器(運放)PCB的正確方法,並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,然後展示INA PCB如何正確布局。


INA 用於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用於提供共模和差模濾波,R3和C4提供U1 INA的輸出濾波,U2用於緩衝INA的參考引腳。R4和C5用於形成低通濾波器,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,因此其電阻要小於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。由於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輸入線路的平衡並儘可能短。


第二個錯誤則是關於INA增益設置電阻Rgain的。U1引腳到Rgain焊墊的線路長於實際所需長度,因此會造成額外的電阻和電容。由於增益取決於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。而由於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儘可能短。


最後,可能需要改進緩衝電路參考引腳的位置。參考引腳緩衝電路位於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,需將參考引腳緩衝電路安排在儘可能靠近INA參考引腳的位置。


圖7所示為糾正這三類錯誤後的布局。


圖7:糾正三類錯誤後的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,並採用了一個開爾文連接。增益設置電阻到INA引腳的線路做到了儘可能短,基準緩衝電路也儘可能靠近參考引腳。

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