Маленькие секреты трассировки плат с операционными и инструментальными усилителями
При проектировании плат
Ничто не обходится так дёшево,
И не ценится так высоко,
Как правильная трассировка.
В век интернета вещей и доступности изготовления печатных плат, причём не только по ЛУТ технологии, их проектированием часто занимаются люди, вся деятельность которых связана с цифровой техникой.
Даже при трассировке простой цифровой платы существуют негласные правила, которым я всегда следую в своих проектах, а в случае разработки измерительных устройств с цифроаналоговыми участками схем это просто необходимо.
В данной статье я хочу обратить начинающих проектировщиков на ряд элементарных приёмов, которые следует соблюдать чтобы получить устойчиво работающую схему и снизить погрешность измерения или минимизировать коэффициент искажений звукового тракта. Для наглядности информация изложена в виде рассмотрения двух примеров.
Рекомендации очень просты и многим известны, тем не менее, как показала моя практика, далеко не всегда даже специалисты с опытом их придерживаются.
Пример номер два. Трассировка простой схемы операционного усилителя
Рис. 1. Схема усилителя на ОУ
Для начала рассмотрим простейший пример. Всего несколько резисторов и конденсаторов — неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления по напряжению 2. Поставим себе задачу оптимизировать трассировку по площади и рассмотрим два варианта. Плата в обоих случаях двухслойная, верхний сигнальный слой красный, нижний синий. Правый вариант не только несколько меньший по площади, главное в нём ниже вероятность возникновение паразитных связей.
Рис. 2. Два варианта трассировки платы усилителя на ОУ
Во первых, обратите на то, как установлен блокировочный конденсатор С2 на правой части рисунка — на минимальном расстоянии от вывода питания. Во вторых, приходящее с источника отрицательное напряжение сначала попадает на конденсатор и лишь оттуда на вывод питания ОУ. Этот простой приём значительно увеличивает эффективность работы блокировочного конденсатора. Похожим образом я поступил и с конденсатором С1. Кстати, если вы применяете несколько блокировочных конденсаторов, например тантал большой ёмкости и керамический меньшей, то конденсатор меньшей ёмкости должен располагаться ближе к выводу питания, так как он имеет меньшую паразитную индуктивность и лучше подавляет высокочастотные помехи.
Настоятельно советую применять этот же приём при подаче питания и на другие типы микросхем, особенно АЦП, ЦАП и многочисленные выводы питания микроконтроллеров. Если вы используете встроенные аналоговые модули микроконтроллера — ADC, DAC, компараторы, источники опорного напряжен не поленитесь заглянуть в даташит и посмотреть какие блокировочные конденсаторы в каком количестве и куда необходимо ставить. Не помещает цепь развязки в виде фильтра или хотя бы сопротивления между основным цифровым питанием микроконтроллера и аналоговым. Аналоговую землю лучше размещать отдельным полигоном или экранным слоем, и соединять с основной землёй в одной точке, в некоторых случаях полезно через фильтр
Элементы цепи обратной связи должны быть расположены как можно ближе к неинвертирующему входу, что минимизирует возможность наводок на высокоомную входную цепь.
Вместо отдельных проводников земли использована заливка землёй нижнего слоя платы экранный слой, что снижает паразитные наводки. В конце ещё одна рекомендация — не стоит оставлять изгибы проводников под прямым углом — сглаживайте их насколько возможно, это уменьшает длину проводников, вероятность наводок и отражений сигнала.
Переходим к более серьёзному и интересному случаю из области измерений, где трассировка бывает архи важна.
Пример номер один. Трассировка монитора тока потребления на инструментальном усилителе
Рис. 3. Схема монитора тока с использованием инструментального ОУ
На рисунке представлена схема измерителя потребляемого тока. Измерительным элементом служит сопротивление шунта включенное в цепь питания. Нагрузка на которой измеряется ток — Rload. Измеряемое напряжение снимается с сопротивления Rshunt и фильтруется с помощью симметричной цепи на элементах R1, R2, C1-C3. Микросхема U2 служит для подачи опорного напряжения. R4, C5 — выходной фильтр.
При трассировке разумеется необходимо соблюдать все рекомендации которые были даны выше.
Рис. 4. Два варианта трассировки платы усилителя на инструментальном ОУ
Разберём недочёты, которые имеет левая схема:
- Поскольку мы имеем дифференциальный вход, необходимо выполнить две его сигнальные цепи как можно более симметричными. Проводники сигнальных линий должны иметь одинаковую длину и располагаться близко друг к другу. В идеале на одинаковом расстоянии друг от друга
- Резистор задающий усиление инструментального усилителя должен располагаться как можно ближе к выводам микросхемы. Даже небольшая паразитная ёмкость между проводниками которые идут к нему на левом рисунке может привести к потере устойчивости инструментального усилителя. Вообще цепи обратной связи должны быть как можно более короткими
- Микросхему повторителя опорного источника необходимо располагать как можно ближе к входу опорного напряжения инструментального усилителя.
Соблюдая очень простые правила вы облегчаете себе жизнь. В одних случаях они просто не приносят вреда, в других могут существенным образом улучшить как устойчивость работы схемы в целом, так и точность измерений.
Не держите на стене заряженное ружьё. Однажды оно обязательно выстрелит и выберет для этого самый неудобный момент.
