Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
PLC Fatek
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Jak zaprojektować PCB dla wzmacniacza pomiarowego

ghost666 01 Lis 2016 18:46 2739 13
  • W wielu artykułach w Internecie opisywano w jaki sposób w poprawny sposób zaprojektować płytkę drukowaną (PCB) dla wzmacniacza operacyjnego (op-ampa). W poniższym artykule skupimy się na tym jak zaprojektować PCB dla wzmacniacza pomiarowego oraz przedstawimy dwa przykłady - poprawnego i niepoprawnego projektu płytki drukowanej dla elementu tego rodzaju.

    Wzmacniacze pomiarowe to elementy elektroniczne często wykorzystywane w aplikacjach, gdzie konieczne jest wzmocnieni niewielkiego napięcia różnicowego. Przykładem aplikacji tego rodzaju może być pomiar spadku napięcia na oporniku pomiarowym, służącym do mierzenia płynącego prądu po dodatniej jego stronie (tj. z opornikiem wpiętym pomiędzy źródło prądu a obciążenie).

    Na rysunku pierwszym zaprezentowano schemat typowego układu dedykowanego do pracy w takiej aplikacji z pojedynczym źródłem zasilania dla układu wzmacniacza.

    Jak zaprojektować PCB dla wzmacniacza pomiarowego
    Rys.1. Układ do pomiaru prądu płynącego do źródła do obciążenia.


    Na rysunku pierwszym spadek napięcia mierzony jest jako napięcie na oporniku RSHUNT. Elementy R1, R2, C1, C2 i C3 zapewniają filtrowanie sygnału - współbieżne i różnicowe. Z kolei elementy R3 ora C4 formują filtr wyjściowy z wzmacniacza pomiarowego U1. Wzmacniacz operacyjny U2 pełni rolę bufora napięcia odniesienia, jakie podawane jest na pin ref we wzmacniaczu pomiarowym, a elementy R4 i C5 formują filtr dolnoprzepustowy, który zmniejsza poziom szumu, jaki generuje bufor, tak aby mniejsza jego ilość przedostawała się do wzmacniacza pomiarowego poprzez wejście napięcia odniesienia.

    Wzór płytki drukowanej dla schematu pokazanego na powyższym rysunku wydaje się niezmiernie prosty, ale niestety nie jest tak - łatwo projektując PCB dla tego układu popełnić błędy, które spowodują pogorszenie parametrów finalnego układu. Na rysunku drugim pokazano przykładowy projekt płytki drukowanej dla układu pokazanego na schemacie na rysunku pierwszym. Projekt ten zawiera trzy dosyć istotne błędy, jakie często spotykane są w projektach tego rodzaju układów.

    Jak zaprojektować PCB dla wzmacniacza pomiarowego
    Rys.2. Typowy wygląd płytki drukowanej dla wzmacniacza pomiarowego.






    Pierwszy błąd na PCB to nieoptymalne podłączenie wzmacniacza do opornika pomiarowego RSHUNT. Zauważmy, że ścieżka od tego opornika do R2 jest znacznie krótsza niż ścieżka po drugiej stronie tego elementu, która prowadzi do R1, a przez to charakteryzuje się niższą rezystancją. Przekłada się to na różną impedancję tych ścieżek, co może generować dodatkowe napięcie różnicowe na wejściu wzmacniacza pomiarowego U1 z uwagi na prąd polaryzacji wejścia wzmacniacza pomiarowego. Jako że zadaniem tego elementu jest wzmocnienie różnicy napięć na wejściu do układu U1, wzmocni on całkowitą różnicę napięć tą wynikającą z spadku napięcia na oporniku pomiarowym, jak i spadki napięcia na ścieżkach, które nie będą się pomiędzy sobą balansowały (tj. jeśli impedancje obu ścieżek będą różne). Dlatego też długość i kształt ścieżek wejściowych do wzmacniacza pomiarowego powinien być taki sam dla obu wejść - traktujmy to wejście analogicznie, jak traktuje się linie różnicowe, cyfrowe i analogowe, na PCB.

    Drugi błąd związany jest z opornikiem ustalającym wzmocnienie wzmacniacza pomiarowego RGAIN. Ścieżki łączące ten element z wzmacniaczem są istotnie dłuższe niż powinny być. Wprowadza to dodatkową rezystancję i pojemność w tej sekcji układu, a te pasożytnicze czynniki przekładają się powstanie błędów wzmocnienia działania układu, ponieważ wzmocnienie zależy od rezystancją pomiędzy pinami 1 a 8 układu. Dodatkowo, pojemność pomiędzy tymi wyprowadzeniami, może spowodować niestabilną pracę układu, gdyż piny te stanowią część pętli sprzężenia zwrotnego w układzie wzmacniacza pomiarowego. Z tego powodu, ścieżki łączące wyprowadzenia z wzmacniacza pomiarowego a opornikiem ustalającym wzmocnienie RGAIN trzeba podłączyć ścieżkami możliwie krótkimi i o niskiej impedancji - traktować je trzeba podobnie, jak czułe sekcje analogowe na PCB.

    Ostatni, trzeci błąd na PCB przedstawionym powyżej, dotyczy podłączenia buforu napięcia odniesienia - sekcja ta wymaga istotnej poprawy. Bufor umiejscowiony jest daleko od wzmacniacza pomiarowego i wejścia napięcia odniesienia. Sprawia to, że z długą ścieżką sprzęgać się mogą różne zakłócenia oraz szum. Dodatkowo, rezystancja tej ścieżki, łączącej bufor napięcia odniesienia i wzmacniacz pomiarowy wpływa na pogorszenie współczynnika odrzucenia napięcia współbieżnego (CMRR) gotowego układu. Z tego powodu, aby osiągnąć wysoki CMRR w układzie, koniecznym jest bliskie umiejscowienie buforu i wzmacniacza.

    Na rysunku trzecim, poniżej, zaprezentowano projekt PCB z poprawionymi poniższymi błędami.

    Jak zaprojektować PCB dla wzmacniacza pomiarowego
    Rys.3. Poprawiony projekt płytki drukowanej dla wzmacniacza pomiarowego.


    Na rysunku trzecim widać, że ścieżki pomiędzy opornikami R1 i R2 są równej długości, a samo ich podłączenie do rezystora pomiarowego RSHUNT rozwiązano w tzw. sposób Kelvina. Następnie, warto zauważyć, że ścieżka łącząca opornik RGAIN i wzmacniacz pomiarowy jest znacznie krótsza niż pokazana w pierwszym projekcie. Analogicznie poprawiono umiejscowienie wzmacniacza pełniącego rolę bufora napięcia odniesienia dla układu.

    Następnym razem projektując płytkę drukowaną dla wzmacniacza pomiarowego, pamiętajmy o zasadniczych kwestiach:

    * Wszystkie elementy ścieżek wejściowych muszą być w pełni zbalansowane, ponieważ to sygnał różnicowy.
    * Ścieżki łączące wzmacniacz z opornikiem ustalającym wzmocnienie muszą być możliwie krótkie z uwagi na pojemności i rezystancje pasożytnicze.
    * Układ napięcia odniesienia - na przykład jego bufor - znajdować muszą się możliwie blisko wejścia tegoż napięcia w układzie scalonym.
    * Kondensatory filtrujące napięcie zasilające poszczególne elementy muszą znajdować się możliwie blisko nóżek zasilanych układów.
    * Konieczne jest zastosowanie co najmniej jednej, porządnej wylewki masy, dającej dobry poziom odniesienia dla układów na PCB.
    * Nie poświęcaj dobrego ułożenia elementów, aby móc je wygodniej oznaczyć opisem etc.
    * Pamiętaj o innych ważnych rzeczach, które dotyczą np. wzmacniaczy operacyjnych czy też ogólnych zasad projektowania płytek drukowanych.

    Źródło: http://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archive/2016/10/14/how-to-layout-a-pcb-for-an-instrumentation-amplifier


    Fajne!
  • Semicon
  • #3 01 Lis 2016 20:42
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    krisRaba napisał:
    ghost666 napisał:
    Zauważmy, że ścieżka od tego opornika do R2 jest znacznie krótsza niż ścieżka po drugiej stronie tego elementu, która prowadzi do R2

    Chyba chodziło o R1 na końcu zdania.


    Tak, dokładnie. Poprawiłem, dzięki.

  • Semicon
  • #7 03 Lis 2016 16:08
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    Tłumaczyłem ten materiał 4 lata temu - https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic2334602.html :) Obrazek wydawał się istotnie znajomy.

  • #8 04 Lis 2016 13:04
    oskar777

    Poziom 25  

    A jak wyglądają optymalne ścieżki na PCB jeśli rezystor pomiarowy jest przewlekany dwu-wyprowadzeniowy lub mamy kilka równoległych rezystorów SMD z racji tego, że ciężko SMD kupić o dobrej tolerancji i niskiej rezystancji, jest może podobny dokument?

  • #9 04 Lis 2016 13:12
    krisRaba
    Poziom 25  

    Myślę, że w opisanym przez Ciebie wariancie będzie ogólnie problem, bo ciężko rozdzielić jakoś pady tak, żeby pozbyć się rezystancji lutów. Chyba że zrobić jakiś patent THT bez przelotki, gdzie ścieżki zasilające masz od spodu i tam dużo spoiwa, a pomiar od góry, bliżej elementu. Wtedy teoretycznie przyłączasz się już za lutem "wysokoprądowym".
    Trzeba natomiast zwrócić uwagę na stosunek rezystancji samego elementu pomiarowego do całościowej rezystancji. Tutaj użyto bardzo małej wartości ze względu na prąd 20A. Przy mniejszych prądach i większych wartościach rezystora pomiarowego wpływ rezystancji lutów będzie się zmniejszał.

    Przy równoległym połączeniu rezystorów SMD chyba bym zrobił intuicyjnie powielenie ich najlepszego wariantu, z mostkiem na przelotkach od spodu i centralnym odejściem ścieżkami z mostków ;)
    Ale trzeba by to potwierdzić podobnymi testami jak oni wykonali ;) W sumie dość łatwe i nie aż takie drogie do przeprowadzenia, jeśli mamy projekt, w którym jest to naprawdę istotne i nie chcemy kalibrować każdego egzemplarza zadanym prądem.

  • #10 04 Lis 2016 15:40
    wiere
    Poziom 10  

    LT dla swoich układów scalonych udostępnia szereg dodatkowych opracowań. Ich układy nie należą do najtańszych, aczkolwiek wsparcie w postaci opracowań jest dosyć bogate. W jednym z nich natknąłem się na rozwiązanie problemu Oscar777'a dotyczących połączenia równoległego Rsense.

  • #12 04 Lis 2016 21:21
    oskar777

    Poziom 25  

    Dziękować, taki trochę przykład C z analoga w sumie ale i przykład dokładniejszy D można by zaimplementować tutaj na drugiej warstwie. Z tą drugą warstwą dla rezystora przewlekanego muszę spróbować.

  • #13 05 Lis 2016 17:43
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    krisRaba napisał:
    Czyli byłem blisko ;-) Z tymi dodatkowymi rezystorami ciekawa sprawa. Szkoda, że nie piszą więcej o ich doborze. Ciekawe jak ich tolerancja i wartość wpływa na pomiar. Ale w sumie dokument jest o hot swapie, a nie tylko pomiarze.
    Widzę, że gromadzisz ciekawe materiały :-)


    Te dodatkowe oporniki służą do uśredniania spadku napięcia na opornikach:

    Cytat:
    Even with an optimal PC board layout, it is necessary to use a resistor network to average the voltages sensed across the individual 1mΩ resistors. In this 12V/100A application, the SENSE+ and SENSE− pins of the LTC4218 are joined to the eight 1mΩ sense resistors with an array of 1Ω resistors as shown in Figure 1. The resulting voltage between the SENSE+ and SENSE− pins is the average of all of the voltages across the 1mΩ sense resistors, effectively Kelvin sensing the eight 1mΩ resistors. An example layout is shown in Figure 3.


    Co do ich doboru, to najważniejsze w sumie, żeby były takie same :D. Reszta nie jest chyba istotna, gdyż prąd jaki przez nie płynie jest pomijalnie mały.

  • #14 06 Lis 2016 15:48
    krisRaba
    Poziom 25  

    Tak, wiem że do uśredniania, bo czytałem całość artykułu. Tutaj mają one 1000x większą rezystancję niż element pomiarowy. Zastanawia mnie, czy to było dobrane doświadczalnie, czy stoi za tym jakaś teoria. Bo jeśli będę miał rezystory pomiarowe 1om, to z rozbiegu bym próbował 1k... a ciekawe, czy to byłoby słuszne ;-)

    "Takie same" to też śliski temat, bo można dać z tolerancją 5%, 1%, 0,1% itp. ;-) Może między 5 i 1 nie ma się co zastanawiać, bo różnica w cenie niewielka. Ale przy kolejnych wartościach cena mocno rośnie i lepiej wiedzieć, czy to zasadnie wydane pieniądze ;-) Pewnie pozostanie sprawdzenie doświadczalne...