実際には、 プリント回路基板 （PCB）は電気線形材料でできています。つまり、インピーダンスは一定でなければなりません。 では、なぜPCBが信号に非線形性を導入するのでしょうか。 答えは、PCBレイアウトは、電流が流れる場所に対して「空間的に非線形」であるということです。

アンプがXNUMXつのソースから電流を受け取るか、別のソースから電流を受け取るかは、負荷の信号の瞬間的な極性に依存します。 電流は、電源からバイパスコンデンサを通り、アンプを通って負荷に流れます。 次に、電流は負荷接地端子（またはPCB出力コネクタのシールド）からグランドプレーンに戻り、バイパスコンデンサを経由して、最初に電流を供給したソースに戻ります。

インピーダンスを流れる電流の最小経路の概念は正しくありません。 すべての異なるインピーダンス経路の電流量は、その導電率に比例します。 グランドプレーンには、多くの場合、グランド電流の大部分が流れる低インピーダンスパスが複数あります。XNUMXつのパスはバイパスコンデンサに直接接続されています。 もうXNUMXつは、バイパスコンデンサに到達するまで入力抵抗を励起します。 図1は、これらXNUMXつのパスを示しています。 逆流電流が実際に問題を引き起こしているものです。

PCB設計で高調波歪みを低減する方法

バイパスコンデンサがPCBの異なる位置に配置されると、接地電流は異なるパスを通ってそれぞれのバイパスコンデンサに流れます。これは「空間非線形性」の意味です。 グランド電流の極性成分のかなりの部分が入力回路のグランドを流れる場合、信号のその極性成分のみが妨害されます。 接地電流の他の極性が乱されない場合、入力信号電圧は非線形に変化します。 一方の極性成分が変更され、もう一方の極性が変更されない場合、歪みが発生し、出力信号のXNUMX次高調波歪みとして現れます。 図2は、この歪み効果を誇張して示しています。

PCB設計で高調波歪みを低減する方法

正弦波のXNUMXつの極性成分のみが乱されると、結果の波形は正弦波ではなくなります。 100ωの負荷を持つ理想的なアンプをシミュレートし、1-ω抵抗を介して負荷電流を信号の3つの極性のみでグランド電圧に結合すると、図XNUMXになります。フーリエ変換は、歪み波形が-68DBCでほぼすべての第XNUMX高調波であることを示しています。 高周波では、このレベルの結合はPCBで簡単に生成され、PCBの特別な非線形効果の多くに頼ることなく、アンプの優れた歪み防止特性を破壊する可能性があります。 図4に示すように、単一のオペアンプの出力が接地電流経路によって歪んでいる場合、バイパスループを再配置し、入力デバイスからの距離を維持することにより、接地電流の流れを調整できます。

PCB設計で高調波歪みを低減する方法

マルチアンプチップ

マルチアンプチップ（XNUMX、XNUMX、またはXNUMXつのアンプ）の問題は、バイパスコンデンサのグランド接続を入力全体から遠ざけることができないことによって悪化します。 これは特にXNUMXつのアンプに当てはまります。 クォードアンプチップには両側に入力端子があるため、入力チャネルへの妨害を軽減するバイパス回路の余地はありません。

PCB設計で高調波歪みを低減する方法

図5は、XNUMXアンプレイアウトへの簡単なアプローチを示しています。 ほとんどのデバイスは、クアッドアンプピンに直接接続します。 一方の電源の接地電流は、もう一方のチャネルの電源の入力接地電圧と接地電流を乱し、歪みを引き起こす可能性があります。 たとえば、クワッドアンプのチャネル1の（+ Vs）バイパスコンデンサは、その入力に直接隣接して配置できます。 （-Vs）バイパスコンデンサは、パッケージの反対側に配置できます。 （+ Vs）接地電流はチャネル1を妨害する可能性がありますが、（-vs）接地電流は妨害しない可能性があります。

PCB設計で高調波歪みを低減する方法

この問題を回避するには、グランド電流が入力を摂動させますが、PCB電流は空間的に線形に流れます。 これを実現するために、（+ Vs）と（– Vs）のグランド電流が同じ経路を流れるようにバイパスコンデンサをPCB上に配置することができます。 入力信号が正と負の電流によって等しく乱される場合、歪みは発生しません。 したがって、XNUMXつのバイパスコンデンサを並べて、グランドポイントを共有するようにします。 アース電流のXNUMXつの極性成分は同じポイント（出力コネクタのシールドまたは負荷グランド）から来て、両方が同じポイント（バイパスコンデンサの共通のグランド接続）に逆流するため、正/負の電流が流れます。同じパス。 チャネルの入力抵抗が（+ Vs）電流によって乱された場合、（– Vs）電流はチャネルに同じ影響を及ぼします。 結果として生じる外乱は極性に関係なく同じであるため、歪みはありませんが、図6に示すように、チャネルのゲインにわずかな変化が発生します。

PCB設計で高調波歪みを低減する方法

上記の推論を検証するために、5つの異なるPCBレイアウトが使用されました。単純なレイアウト（図6）と低歪みレイアウト（図XNUMX）です。 フェアチャイルドセミコンダクターを使用したFHP3450クワッドオペアンプによって生成される歪みを表1に示します。FHP3450の標準帯域幅は210MHz、スロープは1100V / us、入力バイアス電流は100nA、チャネルあたりの動作電流は3.6です。 mA。 表1からわかるように、チャネルの歪みが大きいほど改善が進み、XNUMXつのチャネルのパフォーマンスはほぼ等しくなります。

PCB設計で高調波歪みを低減する方法

PCBに理想的なクォードアンプがないと、単一のアンプチャネルの影響を測定するのが難しい場合があります。 明らかに、特定のアンプチャネルは、それ自体の入力だけでなく、他のチャネルの入力も妨害します。 アース電流はすべての異なるチャネル入力を流れ、異なる効果を生み出しますが、測定可能な各出力の影響を受けます。

表2は、XNUMXつのチャネルのみが駆動されている場合に、他の非駆動チャネルで測定された高調波を示しています。 非駆動チャネルは、基本周波数で小さな信号（クロストーク）を表示しますが、重要な基本信号がない場合、接地電流によって直接導入される歪みも生成します。 図6の低歪みレイアウトは、接地電流の影響がほぼ排除されているため、XNUMX次高調波および全高調波歪み（THD）の特性が大幅に改善されていることを示しています。

PCB設計で高調波歪みを低減する方法

この記事の要約

簡単に言えば、PCBでは、逆流電流はさまざまなバイパスコンデンサ（さまざまな電源用）と電源自体を流れます。これは、その導電率に比例します。 高周波信号電流は小さなバイパスコンデンサに逆流します。 オーディオ信号などの低周波電流は、主に大きなバイパスコンデンサを流れる場合があります。 より低い周波数の電流でさえ、完全なバイパス容量を「無視」し、電源リードに直接逆流する可能性があります。 特定のアプリケーションは、どの現在のパスが最も重要であるかを決定します。 幸い、共通の接地点と出力側の接地バイパスコンデンサを使用することで、接地電流経路全体を簡単に保護できます。

HF PCBレイアウトの黄金律は、HFバイパスコンデンサをパッケージ化された電源ピンにできるだけ近づけることですが、図5と図6を比較すると、歪み特性を改善するためにこの規則を変更しても大きな違いはありません。 歪み特性の改善は、約0.15インチの高周波バイパスコンデンサ配線を追加することを犠牲にしてもたらされましたが、これはFHP3450のAC応答性能にほとんど影響を与えませんでした。 PCBレイアウトは、高品質のアンプのパフォーマンスを最大化するために重要であり、ここで説明する問題は、hfアンプに限定されません。 オーディオなどの低周波数信号には、はるかに厳しい歪み要件があります。 接地電流の影響は低周波数では小さくなりますが、必要な歪み指数がそれに応じて改善された場合、それでも重要な問題になる可能性があります。