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如何布局仪表放大器的印刷电路板

2017年04月08日 10:24 次阅读

在之前的博文中,我谈到了布局仪表放大器(运放)印刷电路板 (PCB)的正确方法,并提供了一系列可供参考的良好布局实践。在本文中,我将探讨布局仪表放大器(INA)时常见的错误,然后展示INA正确布局的一个例子。

INA 用于要求放大差分电压的应用,如测量通过高侧电流感应应用中分流电阻的电压。图1所示为典型单电源高侧电流感应电路的原理图。

 

如何布局仪表放大器的印刷电路板

 

1:高侧电流感应原理图

图1测量的是通过RSHUNT的差分电压,R1、R2、C1、C2和C3用于提供共模和差模滤波,R3和C4提供U1 INA的输出滤波,U2用于缓冲INA的参考引脚。R4和C5用于形成低通滤波器,将运放给INA参考引脚带来的噪音降至最低。

虽然图1中的原理图布局看起来很直观,但却非常容易在PCB布局中出错,造成电路性能下降。图2显示了TI工作人员在检查INA布局时常见的三种错误。

 

如何布局仪表放大器的印刷电路板

 

2INA常见PCB布局

第一个错误是对通过电阻器差分电压Rshunt的测量方式。可以看到Rshunt到R2的线路较短,因此其电阻要小于Rshunt到R1线路的电阻。这一线路阻抗上的差异可能会引入INA的输入偏置电流在U1输入侧造成差分电压。由于INA的任务是放大差分电压,因此,如果输入侧的线路不平衡可能会导致出现错误。因此,需确保INA输入线路的平衡并尽可能短。

第二个错误则是关于INA增益设置电阻Rgain。U1引脚到Rgain焊垫的线路长于实际所需长度,因此会造成额外的电阻和电容。由于增益取决于INA增益设置引脚、引脚1和引脚8之间的电阻,额外的电阻可能带来错误的目标增益。而由于INA的增益设置引脚连接着INA内的反馈节,额外的电容可能造成稳定性问题。因此,需确保连接增益设置电阻的线路应尽可能短。

最后,可能需要改进缓冲电路参考引脚的位置。参考引脚缓冲电路位于距离参考引脚较远的位置,这可能增加连接参考引脚的电阻,导致噪音或其他信号可能耦合到线路中。参考引脚上额外的电阻可能会降低大多数INA提供的高共模抑制比(CMRR)。因此,需将参考引脚缓冲电路安排在尽可能靠近INA参考引脚的位置。

图3所示为纠正这三类错误后的布局。

 

如何布局仪表放大器的印刷电路板

 

图 3

在图3中,您可以看到R1和R2到分流电阻的线路长度相同,并采用了一个开尔文连接。增益设置电阻到INA引脚的线路做到了尽可能短,基准缓冲电路也尽可能靠近参考引脚。

下次您为INA布局PCB时,需确保遵循以下原则:

确保输入侧所有线路完全平衡;

减少线路长度并最大程度降低增益设置引脚上的电容;

将基准缓冲电路安排在尽可能靠近INA参考引脚的位置;

将解耦电容安排在尽可能靠近电源引脚的位置;

至少覆设一个实心接地层;

不要为了给元件使用丝印而牺牲良好的布局;

遵循我之前博文中提到的指南

其他信息

在Art Kay和TIm Green编写的中您可以了解常用的模拟设计公式。

查看TI Designs 10µA至100mA、0.05% 误差、高侧电流感应解决方案参考设计 (TIPD135)。

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