Linee guida per il layout di amplificatori operazionali per la riduzione del rumore nel PCB

Ricordo i miei tentativi giovanili di realizzare un daisy-chain tra un sistema stereo e degli altoparlanti per provare a ottenere il suono perfetto. Mi sono reso ben presto conto della potenza degli amplificatori e di quanto gli amplificatori multistadio possono devastare tua musica preferita. Mi è tornato in mente un componente davvero fondamentale: gli amplificatori operazionali. Gli amplificatori operazionali sono dispositivi che si dimostrano particolarmente utili in una progettazione di PCB quando si tratta di riduzione del rumore e che rappresentano la base di molti dispositivi che rendono possibile la vita moderna.

Essendo componenti analogici, possono essere piuttosto sensibili al rumore. Se volete assicurarvi che i vostri segnali siano privi di rumore, dovete seguire le linee guida per il layout degli amplificatori operazionali giuste per la vostra prossima scheda stampata. Abbiamo raccolto alcuni consigli che potete usare per assicurarvi che i vostri circuiti analogici saranno privi di rumore e che i vostri amplificatori operazionali funzioneranno come previsto.

1. Usare un condensatore di bypass
2. Prestare attenzione alla capacitanza parassitica tra pin di uscita e ingresso per la riduzione del rumore
3. Rimuovere il calore dagli amplificatori ad alta potenza
4. Separare i componenti analogici e digitali

Principi di base degli amplificatori operazionali

Gli amplificatori operazionali sono componenti di condizionamento del segnale in grado di filtrare e amplificare i segnali mediante operazioni aritmetiche di base. Un amplificatore operazionale è dotato di 3 terminali: un ingresso invertente, un ingresso non-invertente e un’uscita che forma la base di numerose configurazioni. L’uscita è a terminazione singola, il che significa che fa riferimento a un livello di terra nella scheda. Si tratta normalmente del piano di terra analogico più vicino. Tuttavia, gli amplificatori operazionali differenziali possono essere usati anche con coppie differenziali.

Tutti gli amplificatori operazionali presentano queste caratteristiche: guadagno ad anello aperto elevato, impedenza di ingresso elevata, impedenza di uscita bassa e larghezza di banda limitata. Un amplificatore tipico può avere un guadagno di 10.000 o superiore. L’impedenza di ingresso è inferiore a 100 ohm, mentre l’impedenza di uscita è tipicamente almeno 0,25 Mohm.

_{Amplificatore operazionale: un componente elettronico semplice ma versatile per la riduzione del rumore.}

Gli amplificatori operazionali hanno regole di funzionamento piuttosto semplici. Se applicate un ingresso positivo all’ingresso non-invertente, l’amplificatore operazionale produrrà uno swing positivo all’uscita. In maniera simile, se applicate una tensione positiva sull’ingresso invertente, all’uscita si verificherà uno swing negativo. In breve, l’uscita è proporzionale alla differenza tra le tensioni su entrambi gli ingressi.

Il guadagno è fornito aggiungendo un ciclo di feedback tra l’uscita e uno degli ingressi. Il feedback CC coinvolge solo i resistori, mentre gli induttori e i condensatori sono usati per creare un feedback con guadagno dipendente dalla frequenza. L’elenco di applicazioni degli amplificatori operazionali è pressoché infinito, ma i più comuni includono comparatori di tensione, rettificatori attivi, filtri di segnale e inseguitori di tensione.

Linee guida sul layout di PCB di amplificatori operazionali per la riduzione del rumore

Vi accorgerete spesso che gli amplificatori operazionali giocano un ruolo intermedio tra i componenti analogici e digitali. Un uso degli amplificatori operazionali consiste nell’amplificare i segnali analogici grezzi provenienti dai sensori prima che siano catturati con un ADC in un microcontroller o un altro circuito. Sono usati comunemente anche nelle applicazioni audio. Quando si effettuato progettazioni con amplificatori operazionali, è importante tenere in considerazione le linee guida sul layout degli amplificatori operazionali.

1. Usare un condensatore di bypass

L’amplificatore operazionale richiede una tensione stabilizzata per produrre il segnale di uscita appropriato. Per assicurarsi una riduzione del rumore prodotto quando si accende l’alimentatore, posizionare un condensatore di bypass messo a terra nelle vicinanze del pin di alimentazione dell’amplificatore operazionale. Il condensatore di bypass deve avere un percorso breve tra il pin di alimentazione dell’amplificatore operazionale e il collegamento a terra.

_{Un condensatore di bypass assicurerà che l’amplificatore operazionale generi l’uscita corretta, per una buona riduzione del rumore.}

2. Prestare attenzione alla capacitanza parassitica tra pin di uscita e ingresso per la riduzione del rumore

È noto che la configurazione di un piano di terra permette di operare una riduzione del rumore mediante la riduzione dell’induttanza dell’anello. Tuttavia, nel caso della progettazione di amplificatori operazionali, quando il piano di terra attraversa tutto l’amplificatore operazionale e passa sotto i pin di ingresso dell’amplificatore, la capacitanza parassitica può essere introdotta tra i pin di ingresso e l’uscita. Questa capacitanza parassitica può permettere ai componenti ad alta frequenza sul segnale di uscita di abbinarsi al pin di ingresso non messo a terra. Si tratta di un problema noto nella progettazione di amplificatori di potenza ad alta frequenza.

3. Rimuovere il calore dagli amplificatori ad alta potenza

Quando si usa un amplificatore operazionale di potenza, occorre mantenere una giunzione a bassa temperatura per prevenire l’instabilità termica. Tecniche di dissipazione del calore appropriate, tra cui vie termiche o dissipatori di calore, possono aiutare a dissipare il calore in eccesso. Gli amplificatori operazionali ad alta potenza possono essere integrati in IC che includono un dissipatore di calore fissato a stampo, che può essere usato per dissipare il calore direttamente nella parte interna della scheda.

4. Separare i componenti analogici e digitali

Le tecniche di progettazione per dispositivi analogici appropriate sono applicabili anche agli amplificatori operazionali. Un amplificatore operazionale è spesso usato per amplificare un segnale a basso livello prima che sia trasmesso a un ADC per l’amplificazione. Non posizionare i componenti digitali a valle all’interno della stessa regione degli altri componenti analogici. Ciò impedirà che il rumore dalla sezione digitale della scheda sia abbinato indietro nella sezione analogica a monte.

Evitare errori degli schematici con il software di progettazione interattivo

Il layout di amplificatori operazionali per la riduzione del rumore può essere un processo complesso e lungo se non si dispone della tecnologia di layout PCB giusta. La capacità di accedere alla cronologia completa della progettazione e di personalizzare efficacemente il layout dei componenti può fare la differenza tra uno schematico non funzionale e una progettazione a prestazioni elevate. La progettazione di sistemi analogici avanzati è molto più semplice se si ha il software di progettazione PCB giusto che aiuta a seguire le linee guida per il layout degli amplificatori operazionali. CircuitStudio^® di Altium vi aiuterà a sviluppare una progettazione stabile dal punto di vista termico con integrazione accurata e spazio adeguato tra i componenti analogici e digitali.

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