Op-Amp Layout Guidelines for Noise Reduction in Your PCB

Créé: February 6, 2018
Mise à jour: December 2, 2020

Stereo dials with a hand turning one

Je me souviens d’une époque où je m’acharnais à monter une chaîne stéréo avec des haut-parleurs amplifiés pour obtenir le véritable son parfait. Vous réalisez alors tous les effets dévastateurs que l’excès de puissance et les amplificateurs à plusieurs étages peuvent avoir sur votre musique préférée. J’ai donc réalisé à quel point les amplificateurs opérationnels jouaient un rôle fondamental. Les amplis-ops sont des dispositifs remarquablement utiles dans la conception des PCB. Grâce à leur présence dans de nombreux dispositifs, la vie moderne mérite son nom.

Comme les amplificateurs opérationnels sont des composants analogiques, ils peuvent être très sensibles au bruit électronique. Si vous voulez être certain qu’aucun bruit ne gênera vos signaux, vous devez suivre les bonnes directives sur la disposition des amplificateurs opérationnels pour votre prochaine carte de circuit imprimé. Nous avons compilé quelques conseils que vous pouvez utiliser pour vous assurer que vos circuits analogiques seront exempts de bruit et que vos amplis-ops fonctionneront comme prévu.

  1. Utilisez un condensateur de dérivation
  2. Faites attention à la capacité parasite entre les broches de sortie et d'entrée
  3. Éliminez la chaleur des amplificateurs à haute puissance
  4. Séparez les composants analogiques et numériques

Principes de base des amplificateurs opérationnels

Les amplificateurs opérationnels sont des composants de conditionnement du signal capables de filtrer et d'amplifier les signaux grâce à une opération arithmétique de base. Un amplificateur opérationnel a trois bornes : une entrée inverse, une entrée non inverse et une sortie qui constitue la base de nombreuses configurations. La sortie est simple, ce qui signifie qu'elle est référencée à un certain niveau de masse dans votre PCB. C'est normalement le plan de masse analogue le plus proche. Cependant, des amplis-ops différentiels sont également disponibles pour travailler avec des paires différentielles.

Tous les amplificateurs opérationnels présentent ces caractéristiques : un gain élevé en boucle ouverte, une impédance d'entrée élevée, une faible impédance de sortie et une bande passante limitée. Un amplificateur typique peut avoir un gain de 10 000 ou plus. L'impédance d'entrée est inférieure à 100 ohms et l'impédance de sortie est généralement d'au moins 0,25 MOhm.

Chart of operational amplifier formula

Amplificateur opérationnel : un composant électronique simple mais polyvalent.

Les amplis-ops ont des règles de fonctionnement assez simples. Si vous appliquez une entrée positive à l'entrée non-inverseuse, l'amplificateur opérationnel produira une oscillation positive à la sortie. De même, si vous appliquez une tension positive à l’entrée inverseuse, une oscillation négative se produira à la sortie. En bref, la sortie est proportionnelle à la différence entre les tensions des deux entrées.

Le gain est obtenu en ajoutant une boucle de rétroaction entre la sortie et l'une des entrées. La rétroaction CC n'implique que des résistances, tandis que des inducteurs ou des condensateurs sont utilisés pour créer une rétroaction avec un gain dépendant de la fréquence. La liste des applications des amplificateurs opérationnels est interminable, mais les plus courantes incluent des comparateurs de tension, des redresseurs actifs, des filtres de signaux et des suiveurs de tension.

Lignes directrices d’agencement des amplis-ops pour PCB

Vous trouverez souvent des amplificateurs opérationnels dont le rôle se situe entre celui d’un composant analogique et celui d’un composant numérique. Parmi les utilisations des amplificateurs opérationnels, vous trouvez l'amplification des signaux analogiques bruts provenant des capteurs avant d'être capturés par un convertisseur A/N dans un microcontrôleur ou un autre circuit. Ils sont également couramment utilisés dans les applications audio. Lorsque vous concevez des amplis-op, il est important de tenir compte des directives suivantes concernant leur agencement :

1. Utilisez un condensateur de dérivation

L'amplificateur opérationnel a besoin d'une tension stabilisée pour produire le bon signal de sortie. Pour supprimer le bruit électronique produit par la commutation de l'alimentation électrique, placez un condensateur de dérivation mis à la terre près de la broche d'alimentation de l'amplificateur opérationnel. Le chemin du condensateur de dérivation entre la broche d'alimentation des amplis-op et la connexion à la terre doit être court.

Closeup of electronic circuit board that is blue

Un condensateur de dérivation garantit que l'amplificateur opérationnel produira la sortie correcte.

2. Faites attention à la capacité parasite entre les broches de sortie et d'entrée

Il est bien connu que le réglage du plan de masse réduit la sensibilité au bruit électronique en diminuant l'inductance de boucle. Cependant, pour concevoir un amplificateur opérationnel, lorsque le plan de masse s'étend sous tout l'amplificateur opérationnel et passe sous ses broches d'entrée, une capacité parasite peut être introduite entre les broches d'entrée et la sortie. Cette capacité parasite peut permettre aux composants à haute fréquence du signal de sortie de se coupler à la broche d'entrée non mise à la terre. C'est un problème connu dans la conception des amplificateurs de puissance à haute fréquence.

3. Éliminez la chaleur des amplificateurs à haute puissance

Lorsque vous utilisez un amplificateur opérationnel puissant, vous devez maintenir une jonction à basse température pour éviter les risques de surchauffe. Des techniques appropriées de dissipation de la chaleur peuvent évacuer l'excès de chaleur, tels que des vias thermiques ou des dissipateurs de chaleur. Des amplificateurs opérationnels à haute puissance peuvent être installés dans des circuits intégrés qui incluent un dissipateur thermique fixé à la matrice pour dissiper la chaleur directement à l'intérieur de la carte.

4. Séparez les composants analogiques et numériques

Les techniques de conception appropriées pour les appareils analogiques s'appliquent également aux amplis-ops. Un ampli-op est souvent utilisé pour amplifier un signal de faible puissance avant son introduction dans un convertisseur A/N. Ne placez pas les composants numériques en aval dans la même région que vos autres composants analogiques. Vous éviterez ainsi que le bruit électronique de la section numérique de la carte se couple à la section analogique en amont.

Éviter les erreurs de schématique grâce à un logiciel de conception interactif

La mise en place d'un amplificateur opérationnel peut être un processus long et difficile si vous n’utilisez pas la bonne technologie d’agencement des circuits imprimés. La possibilité d'accéder à l'historique complet de la conception et de personnaliser efficacement l’agencement des composants peut faire la différence entre un schématique non fonctionnel et une conception performante. Il est beaucoup plus facile de concevoir des systèmes analogiques avancés lorsque vous disposez du bon logiciel de conception de circuits imprimés pour vous aider à suivre les directives d'implantation des amplificateurs opérationnels. CircuitStudio® d'Altium vous aidera à développer une conception thermiquement stable avec une intégration précise et un espacement adéquat entre les composants analogiques et numériques.

Avez-vous besoin d’autres conseils sur la conception des amplificateurs opérationnels ? Parlez-en à un expert Altium.

 

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