Linee Guida Per Il Layout Degli Amplificatori Operazionali Per La Riduzione Del Rumore Nei PCB

Ricordo ancora i miei tentativi giovanili nel realizzare un daisy-chain tra un sistema stereo e degli altoparlanti per provare a ottenere il suono perfetto. Mi resi presto conto della potenza degli amplificatori e di quanto quelli multistadio possano distruggere anche la musica più bella. Mi ritorna in mente un componente davvero fondamentale: gli amplificatori operazionali. Gli amplificatori operazionali sono dispositivi particolarmente utili nella progettazione PCB e costituiscono la base di molti apparecchi di uso quotidiano.

Essendo componenti analogici, gli amplificatori operazionali possono essere piuttosto sensibili al rumore. Se volete assicurarvi che i vostri segnali siano privi di rumore, dovrete seguire le linee guida per il layout degli amplificatori operazionali per il vostro prossimo circuito stampato. In quest’articolo abbiamo raccolto alcuni consigli che potete utilizzare per assicurarvi che i vostri circuiti analogici siano privi di rumore e che i vostri amplificatori operazionali funzionino come previsto.

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

Principi di funzionamento degli amplificatori operazionali

Gli amplificatori operazionali sono componenti di condizionamento del segnale in grado di filtrare e amplificare i segnali attraverso operazioni aritmetiche di base. Un amplificatore operazionale è dotato di tre terminali: un ingresso invertente, un ingresso non-invertente e un'uscita che costituisce la base di molte configurazioni. L’uscita è a terminazione singola (single-ended), il che significa che fa riferimento a un layer di massa nella scheda. Si tratta normalmente del piano di massa 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 d’ingresso elevata, impedenza di uscita bassa e larghezza di banda limitata. Un amplificatore standard può avere un guadagno di 10.000 o superiore. L’impedenza d’ingresso è inferiore a 100 ohm, mentre l’impedenza di uscita è tipicamente di almeno 0,25 Mohm.

Gli amplificatori operazionali seguono alcune regole di funzionamento piuttosto semplici. Se si applica un ingresso positivo all’ingresso non-invertente, l’amplificatore operazionale produrrà uno swing positivo all’uscita. Allo stesso modo, se si applica una tensione positiva all'ingresso invertente, si verificherà uno swing negativo. In breve, l’uscita è proporzionale alla differenza tra le tensioni su entrambi gli ingressi.

Il guadagno si ottiene aggiungendo un circuito di feedback tra l'uscita e uno degli ingressi. Il feedback CC coinvolge solo i resistori, mentre gli induttori o i condensatori vengono utilizzati 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 per il layout PCB dell'amplificatore operazionale

Vi accorgerete che gli amplificatori operazionali giocano spesso un ruolo intermedio tra i componenti analogici e digitali. Un uso comune degli amplificatori operazionali consiste nell’amplificare i segnali analogici grezzi provenienti dai sensori, prima che questi siano catturati con un ADC in un microcontroller o un altro circuito. Sono usati comunemente anche nelle applicazioni audio. Quando si effettuano progettazioni con amplificatori operazionali, è importante tenere in considerazione queste linee guida per il 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 assicurare una riduzione del rumore prodotto durante l'accensione dell’alimentatore, è necessario 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.

2. Prestate attenzione al guadagno ad anello aperto tra i pin di uscita e d’ingresso

Il limite assoluto del guadagno che è possibile ottenere da un amplificatore operazionale coincide con il guadagno ad anello aperto. Questo è il guadagno che si può notare con una resistenza infinita nel circuito di feedback o, in altre parole, in presenza di un circuito aperto (senza resistore). Poiché gli amplificatori operazionali sono progettati per alzare i segnali di basso livello a un livello più alto, è bene ricordare che non è possibile applicare più guadagno del guadagno ad anello aperto, né emettere più della tensione del binario. 

3. Rimuovere il calore dagli amplificatori ad alta potenza

Quando si utilizza 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 l'uso di via termici 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 die-attached, 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 sono applicabili anche agli amplificatori operazionali. Un amplificatore operazionale viene spesso usato per amplificare un segnale a basso livello prima che questo venga trasmesso a un ADC per l’amplificazione. È bene non posizionare i componenti digitali a valle nella stessa regione degli altri componenti analogici. Questo impedirà che il rumore della sezione digitale della scheda si riaccoppi nella sezione analogica a monte.

Evitate errori di layout dell'amplificatore operazionale con un software di progettazione interattivo

Il layout dell'amplificatore operazionale può essere un processo lungo e impegnativo senza il giusto software di layout PCB. La possibilità 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 di qualità. La progettazione dei sistemi analogici avanzati è molto più semplice quando si ha a disposizione il software di progettazione PCB giusto, capace di guidarti nel layout degli amplificatori operazionali. Quando hai bisogno di uno strumento di layout PCB intuitivo e dotato di tutto il necessario per costruire circuiti stampati di alta qualità, quello che ti serve è CircuitMaker. Non solo avrai a disposizione un software di progettazione PCB di facile utilizzo, gli utenti di CircuitMaker hanno anche accesso a uno spazio di lavoro personale sulla piattaforma Altium 365. Qui potrai caricare e archiviare i tuoi dati di progettazione nel cloud e visualizzare facilmente i tuoi progetti tramite il tuo browser, all'interno di una piattaforma sicura.

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