教科書上絕對學不來的PCB布局秘籍(附:放大器PCB布線實例)

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。