Wskazówki dotyczące rozmieszczania wzmacniaczy operacyjnych w celu zredukowania zakłóceń na płytce PCB

Pamiętam, jak za młodu próbowałem połączyć łańcuchowo zestaw stereo i zasilane głośniki, aby uzyskać doskonały dźwięk. Szybko sobie uświadomiłem moc wzmacniaczy i zobaczyłem, jak destrukcyjnie wpływa na moją ulubioną muzykę zastosowanie wielostopniowych wzmacniaczy. Szczególnie przypomniało mi to o podstawowych podzespołach: wzmacniaczach operacyjnych. Wzmacniacze operacyjne to niezwykle przydatne urządzenia w projektowaniu PCB i stanowią one podstawę wielu urządzeń wpływających na jakość współczesnego życia.

Ponieważ wzmacniacze operacyjne są podzespołami analogowymi, mogą być dość wrażliwe na zakłócenia. Jeśli chcemy mieć pewność, że sygnały nie będą zakłócane, musimy przestrzegać wskazówek dotyczących właściwego rozmieszczenia wzmacniaczy operacyjnych na płytce drukowanej. Postępując zgodnie z poniższymi wskazówkami, możemy zapewnić, że obwody analogowe będą wolne od zakłóceń, a wzmacniacze operacyjne będą działać w zamierzony sposób.

1. Zastosuj kondensator bocznikowy
2. Zwróć uwagę na pojemność rozproszoną między stykami wejściowymi i wyjściowymi
3. Odprowadź ciepło ze wzmacniaczy wysokiej mocy
4. Rozdziel podzespoły analogowe i cyfrowe

Podstawowe zasady dotyczące wzmacniaczy operacyjnych

Wzmacniacze operacyjne to podzespoły przetwarzające sygnał, które są w stanie filtrować i wzmacniać sygnały poprzez wykonywanie podstawowych operacji arytmetycznych. Wzmacniacz operacyjny ma trzy zaciski: wejście odwracające, wejście nieodwracające oraz wyjście, które stanowią podstawy wielu konfiguracji. Wyjście jest jedno, co oznacza, że odnosi się do jakiegoś poziomu masy na płytce. Jest to zazwyczaj najbliższa płaszczyzna masy analogowej. Jednakże są również dostępne wzmacniacze operacyjne przeznaczone do działania w parach różnicowych.

Wszystkie wzmacniacze operacyjne mają następującą charakterystykę: wysokie wzmocnienie w pętli otwartej, wysoka impedancja wejściowa, niska impedancja wyjściowa i ograniczone pasmo Typowy wzmacniacz może zapewnić wzmocnienie 10 000 lub więcej. Impedancja wejściowa jest mniejsza niż 100 omów, a impedancja wyjściowa zazwyczaj wynosi co najmniej 0,25 megaoma.

_{Wzmacniacz operacyjny: jeden podzespół elektroniczny o wszechstronnych zastosowaniach.}

Zasady działania wzmacniaczy operacyjnych są dość proste. Po przyłożeniu dodatniego sygnału do wejścia nieodwracającego wzmacniacz wytworzy dodatni wzrost na wyjściu. Podobnie po przyłożeniu dodatniego sygnału do wejścia odwracającego wzmacniacz wytworzy ujemny wzrost na wyjściu Krótko mówiąc, sygnał wyjściowy jest proporcjonalny do różnicy między napięciami na obu wejściach.

Wzmocnienie zapewnia dodanie pętli zwrotnej między wyjściem a jednym z wejść. Pętla zwrotna prądu stałego zawiera tylko rezystory, podczas gdy w przypadku wzmocnienia zależnego od częstotliwości do utworzenia pętli zwrotnej wykorzystuje się cewki lub kondensatory. Lista zastosowań wzmacniaczy operacyjnych nie ma końca, ale najbardziej typowe obejmują komparatory napięcia, aktywne prostowniki, filtry sygnałów i wtórniki napięciowe.

 Wzmacniacze operacyjne w projekcie PCB

Wzmacniacze operacyjne często pełnią funkcję czegoś pomiędzy podzespołem analogowym a cyfrowym. Jednym z zastosowań wzmacniaczy operacyjnych jest wzmacnianie nieprzetworzonych sygnałów analogowych z czujników, zanim zostaną one podane do przetwornika ADC w mikrokontrolerze lub innym obwodzie. Są one również powszechnie stosowane w aplikacjach audio. Projektując układy ze wzmacniaczami operacyjnymi trzeba pamiętać o następujących wskazówkach dotyczących ich rozmieszczenia:

1. Zastosuj kondensator bocznikowy

Wzmacniacze operacyjne potrzebują ustabilizowanego sygnału, aby wytworzyć prawidłowy sygnał wyjściowy. Aby tłumić zakłócenia przy włączaniu zasilania, umieść uziemiony kondensator bocznikowy blisko styku zasilania wzmacniacza operacyjnego. Kondensator bocznikowy powinien mieć krótką ścieżkę między stykiem zasilania wzmacniacza operacyjnego a połączeniem masowym

_{Kondensator bocznikowy zapewni, że wzmacniacze operacyjne będą wytwarzać prawidłowy sygnał wyjściowy.}

2. Zwróć uwagę na pojemność rozproszoną między stykami wejściowymi i wyjściowymi

Powszechnie wiadomo, że zapewnienie płaszczyzny masy zmniejsza podatność na zakłócenia poprzez redukowanie indukcyjności pętli. Jednak w przypadku projektów ze wzmacniaczami operacyjnymi, gdzie płaszczyzna masy rozpościera się pod całym wzmacniaczem operacyjnym i przechodzi poniżej styków wejściowych wzmacniacza operacyjnego, między stykami wejściowymi a wyjściem wzmacniacza może wystąpić pojemność rozproszona. Pojemność rozproszona może umożliwiać sprzęganie zwrotne wysokoczęstotliwościowych podzespołów po stronie sygnału wyjściowego do styku wejściowego, który nie jest podłączony do masy. Jest to znany problem w projektach wzmacniaczy mocy wysokiej częstotliwości.

3. Odprowadź ciepło ze wzmacniaczy wysokiej mocy

Używając wzmacniaczy operacyjnych wysokiej mocy, trzeba zachować połączenie niskotemperaturowe, aby zapobiec niestabilności termicznej Zastosowanie odpowiednich technik odprowadzania ciepła, w tym przelotek cieplnych lub radiatorów, może pomóc w odprowadzaniu nadmiaru ciepła. Wzmacniacze operacyjne wysokiej mocy mogą mieć obudowy z radiatorem zamocowanym do kości, który może odprowadzać ciepło bezpośrednio do wnętrza płytki.

4. Rozdziel podzespoły analogowe i cyfrowe

Prawidłowe techniki projektowania dla urządzeń analogowych dotyczą również wzmacniaczy operacyjnych. Wzmacniacze operacyjne często wykorzystuje się do wzmacniania słabych sygnałów przed podaniem ich do przetworników ADC w celu wzmocnienia. Nie należy umieszczać podzespołów cyfrowych dalszej części układu w tym samym obszarze, w którym znajdują się inne podzespoły analogowe. To pozwoli zapobiec sprzęganiu zwrotnemu zakłóceń z sekcji cyfrowej płytki do sekcji analogowej we wcześniejszej części układu.

Zredukowanie zakłóceń na płytce PCB 

Rozmieszczenie wzmacniaczy operacyjnych może być wymagającym i długotrwałym procesem, jeśli nie korzystamy z odpowiedniej technologii rozmieszczania podzespołów na płytce PCB. Dostęp do pełnej historii projektu i skuteczne dostosowywanie układu podzespołów może stanowić o różnicy między niefunkcjonalnym schematem a projektem o wysokiej wydajności. Projektowanie zaawansowanych układów analogowych jest o wiele łatwiejsze, gdy ma się do dyspozycji właściwe oprogramowanie do projektowania PCB, które pomoże postępować zgodnie z wytycznymi w zakresie rozmieszczania wzmacniaczy operacyjnych. CircuitStudio^® firmy Altium pomoże opracować termicznie stabilny projekt o precyzyjnej integracji i odpowiednich odległościach między podzespołami analogowymi i cyfrowymi.

Potrzebujesz więcej wskazówek dotyczących projektów wykorzystujących wzmacniacze operacyjne? Porozmawiaj z ekspertem Altium.