OPV-Layout-Richtlinien zur Rauschunterdrückung auf Ihrer Leiterplatte

Ich erinnere mich noch gut daran, wie ich in jungen Jahren eine Stereoanlage mit Aktivboxen zusammenbaute, um den perfekten Klang zu erzielen. Man merkt schnell, wie leistungsfähig Verstärker sind und welchen Schaden mehrstufige Verstärker bei deiner Lieblingsmusik anrichten können. Dabei wurde ich besonders an ein wichtiges Bauteil erinnert: den Operationsverstärker (OPVs). OPVs sind besonders nützliche Bauelemente im Schaltungsdesign und bilden die Grundlage vieler Anwendungen, die das moderne Leben möglich machen.

Da es sich bei Operationsverstärkern um analoge Bauteile handelt, sind sie mitunter recht empfindlich gegenüber Rauschen. Um sicherzustellen, dass Ihre Signale rauschfrei sind, müssen Sie bei der Entwicklung Ihrer nächsten Leiterplatte unbedingt die einschlägigen Layout-Richtlinien beachten. Wir haben einige Tipps zusammengestellt, mit denen Sie sicherstellen können, dass Ihre analogen Schaltungen rauschfrei sind und Ihre Operationsverstärker wie vorgesehen funktionieren.

1. Bypass-Kondensator verwenden
2. Achten Sie auf Streukapazitäten zwischen Ausgangs- und Eingangspins
3. Wärme von Hochleistungsverstärkern abführen
4. Analoge und digitale Bauteile trennen

Grundprinzipien von Operationsverstärkern

Operationsverstärker sind signalverarbeitende Bauteile, die in der Lage sind, Signale durch einfache arithmetische Operationen zu filtern und zu verstärken. Ein OPV hat drei Anschlüsse: einen invertierenden Eingang, einen nichtinvertierenden Eingang und einen Ausgang. Dieser ist unsymmetrisch, d. h. er ist auf einen Massepegel in Ihrer Schaltung bezogen. Dies ist normalerweise die nächstgelegene analoge Massefläche. Es gibt jedoch auch Differenz-Operationsverstärker für die Arbeit mit Differenzpaaren.

Alle OPVs weisen folgende Merkmale auf: hohe Verstärkung im offenen Regelkreis, hohe Eingangsimpedanz, niedrige Ausgangsimpedanz und eine begrenzte Bandbreite. Ein typischer Verstärker kann eine Leerlaufverstärkung von 10.000 oder mehr haben. Die Eingangsimpedanz beträgt weniger als 100 Ohm und die Ausgangsimpedanz beträgt in der Regel mindestens 0,25 MOhm.

Operationsverstärker haben einige recht einfache Funktionsregeln. Legt man am nichtinvertierenden Eingang ein positives Eingangssignal an, so erzeugt der Operationsverstärker am Ausgang ein positives Signal. Legt man eine positive Spannung an den invertierenden Eingang an, so ergibt sich am Ausgang ein negatives Signal. Kurz gesagt, der Ausgang ist proportional zur Differenz zwischen den Spannungen an beiden Eingängen.

Die Verstärkung ergibt sich durch eine Rückkopplungsschleife zwischen dem Ausgang und einem der Eingänge. Bei der Gleichstromrückkopplung kommen nur Widerstände zum Einsatz, während bei der Rückkopplung mit frequenzabhängiger Verstärkung Induktivitäten oder Kondensatoren verwendet werden. Die Liste der möglichen Anwendungen von Operationsverstärkern ließe sich beliebig fortführen, aber zu den häufigsten gehören Spannungskomparatoren, aktive Gleichrichter, Signalfilter und Spannungsfolger.

Leiterplatten-Layout-Richtlinien für Operationsverstärker

Häufig spielen OPVs an der Schnittstelle zwischen analogen und digitalen Komponenten eine Rolle. Eine typische Anwendung ist die Verstärkung von analogen Sensorsignalen, bevor diese mit einem ADC in einem Mikrocontroller oder einer anderen Schaltung erfasst werden. Sie werden auch häufig in Audioanwendungen eingesetzt. Beim Entwurf mit Operationsverstärkern ist es wichtig, die folgenden Layout-Richtlinien zu beachten:

1. Bypass-Kondensator verwenden

Der Operationsverstärker benötigt eine stabilisierte Spannungsversorgung, um ein geeignetes Ausgangssignal zu erzeugen. Zur Rauschunterdrückung beim Schalten der Stromversorgung ist ein Erdungskondensator in der Nähe der Versorgungspins des Operationsverstärkers anzubringen. Der Bypass-Kondensator sollte dabei einen möglichst kurzen Abstand zwischen dem Versorgungsanschluss des OPVs und dem Masseanschluss haben.

2. Achten Sie auf die Leerlaufverstärkung zwischen Ausgang- und Eingangspins

Die maximale Verstärkung, die man mit einem Operationsverstärker erzielen kann, ist die Leerlaufverstärkung. Dies ist die Verstärkung, die sich ergibt, wenn der Widerstand in der Rückkopplungsschleife unendlich ist, oder anders gesagt, wenn ein offener Stromkreis (kein Widerstand) vorliegt. Da OPVs dafür ausgelegt sind, Signale mit niedrigem Pegel auf einen höheren Pegel anzuheben, sollten Sie daran denken, dass Sie nie mehr Verstärkung als diese offene Schleifenverstärkung einsetzen können und nie mehr als die Versorgungsspannung erzeugen können. 

3. Wärme von Hochleistungsverstärkern abführen

Wenn Sie einen Leistungs-Operationsverstärker verwenden, müssen Sie für eine niedrige Sperrschichttemperatur sorgen, um einen thermischen Drift zu vermeiden. Geeignete Wärmeableitungsmethoden, einschließlich thermischer Durchkontaktierungen oder Kühlkörper, können bei der Ableitung überschüssiger Wärme helfen. Hochleistungs-OPVs können in IC-Gehäuse verbaut sein, die einen mit dem Chip verbundenen Kühlkörper enthalten, über den die Wärme direkt in das Innere der Leiterplatte abgeleitet werden kann.

4. Analoge und digitale Bauteile trennen

Die üblichen Designregeln für analoge Schaltungen gelten auch für Operationsverstärker. Oft wird ein OPV verwendet, um ein schwaches Signal zu verstärken, bevor es in einen ADC weiterverstärkt wird. Platzieren Sie die nachgeschalteten digitalen Bauteile nicht in der Nähe Ihrer übrigen Analogbauteile. Dadurch wird verhindert, dass Rauschen aus dem digitalen Schaltungsteil in den vorgelagerten analogen Teil zurückkoppelt.

Vermeiden Sie Operationsverstärker-Layout-Fehler mit interaktiver Design-Software

Ohne die richtige PCB-Layouttechnologie gestaltet sich das Entflechten von Operationsverstärkern oft schwierig und langwierig. Die Möglichkeit, auf die komplette Designhistorie zuzugreifen und das Bauteillayout effizient anzupassen, entscheidet nicht selten über ein funktionstüchtiges Design. Die Entwicklung moderner Analogsysteme ist wesentlich einfacher, wenn Sie über die richtige PCB-Designsoftware verfügen, die Sie bei der Einhaltung der Richtlinien für das Layout von OPVs unterstützt. Wenn Sie auf ein benutzerfreundliches PCB-Layout-Tool zugreifen möchten, das alles enthält, was Sie für die Erstellung hochwertiger, herstellbarer Leiterplatten benötigen, sind Sie bei CircuitMaker an der richtigen Adresse. Zusätzlich zu der benutzerfreundlichen PCB-Designsoftware haben alle CircuitMaker-Anwender Zugang zu einem persönlichen Arbeitsbereich auf der Altium-365-Plattform. Sie können Ihre Designdaten in die Cloud hochladen und speichern, und Ihre Projekte ganz einfach über Ihren Webbrowser auf einer sicheren Plattform betrachten.

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