PCB設計中如何減少諧波失真?

事實上, 印刷電路板 (PCB) 由電氣線性材料製成,即它們的阻抗應該是恆定的。 那麼為什麼 PCB 會在信號中引入非線性呢? 答案是 PCB 佈局相對於電流流動的位置是“空間非線性的”。

放大器是否從一個源或另一個源接收電流取決於負載上信號的瞬時極性。 電流從電源流出,經過旁路電容,經過放大器進入負載。 然後,電流從負載接地端子(或 PCB 輸出連接器的屏蔽)返回接地層,通過旁路電容器,並返回到最初提供電流的電源。

印刷電路板

電流通過阻抗的最小路徑的概念是不正確的。 所有不同阻抗路徑中的電流量與其電導率成正比。 在一個地平面中,通常有不止一條低阻抗路徑,大部分地電流流經:一條路徑直接連接到旁路電容; 另一個激勵輸入電阻,直到達到旁路電容。 圖 1 說明了這兩條路徑。 回流電流才是真正導致問題的原因。

如何減少PCB設計中的諧波失真

當旁路電容放置在PCB的不同位置時,地電流會通過不同的路徑流向各個旁路電容,這就是“空間非線性”的含義。 如果接地電流的極性分量的很大一部分流經輸入電路的接地,則只有信號的極性分量會受到干擾。 如果接地電流的另一個極性不受干擾,則輸入信號電壓以非線性方式變化。 當一個極性分量改變而另一個極性不變時,就會發生失真,表現為輸出信號的二次諧波失真。 圖 2 以誇張的形式顯示了這種失真效果。

如何減少PCB設計中的諧波失真

當正弦波中只有一個極性分量受到干擾時,產生的波形就不再是正弦波。 模擬具有 100-ω 負載的理想放大器,並將負載電流通過 1-ω 電阻器耦合到僅在信號的一個極性上的接地電壓中,結果如圖 3 所示。傅里葉變換錶明失真波形幾乎都是-68 DBC 處的二次諧波。 在高頻下,這種耦合水平很容易在 PCB 上產生,這會破壞放大器出色的抗失真特性,而無需借助 PCB 的許多特殊非線性效應。 當單個運算放大器的輸出由於接地電流路徑而失真時,可以通過重新佈置旁路迴路並保持與輸入設備的距離來調整接地電流,如圖 4 所示。

如何減少PCB設計中的諧波失真

多功放芯片

多放大器芯片(兩個、三個或四個放大器)的問題因無法使旁路電容器的接地連接遠離整個輸入而變得更加複雜。 對於四個放大器尤其如此。 四放大器芯片在每一側都有輸入端子,因此沒有空間用於減輕對輸入通道的干擾的旁路電路。

如何減少PCB設計中的諧波失真

圖 5 顯示了一種四放大器佈局的簡單方法。 大多數設備直接連接到四路放大器引腳。 一個電源的地電流會干擾另一路電源的輸入地電壓和地電流,導致失真。 例如,四通道放大器通道 1 上的 (+Vs) 旁路電容器可以直接放置在其輸入附近; (-Vs) 旁路電容器可以放置在封裝的另一側。 (+Vs) 地電流會干擾通道 1,而 (-vs) 地電流可能不會。

如何減少PCB設計中的諧波失真

為了避免這個問題,讓接地電流擾亂輸入,但讓 PCB 電流以空間線性方式流動。 為了實現這一點,旁路電容器可以這樣佈置在 PCB 上,使 (+Vs) 和 (-Vs) 接地電流流過相同的路徑。 如果輸入信號受到正負電流的同等乾擾,則不會發生失真。 因此,將兩個旁路電容器彼此相鄰對齊,以便它們共享一個接地點。 由於接地電流的兩個極性分量來自同一點(輸出連接器屏蔽或負載接地)並流回到同一點(旁路電容器的公共接地連接),因此正/負電流流過相同的路徑。 如果通道的輸入電阻受到 (+Vs) 電流的干擾,則 (-Vs) 電流對其有相同的影響。 因為無論極性如何,產生的干擾都是相同的,所以沒有失真,但會出現通道增益的微小變化,如圖 6 所示。

如何減少PCB設計中的諧波失真

為了驗證上述推論,使用了兩種不同的 PCB 佈局:簡單佈局(圖 5)和低失真佈局(圖 6)。 使用飛兆半導體的FHP3450四運放產生的失真如表1所示。 FHP3450的典型帶寬為210MHz,斜率為1100V/us,輸入偏置電流為100nA,每通道工作電流為3.6嘛。 從表1可以看出,通道失真越多,改善效果越好,因此四個通道的性能幾乎相等。

如何減少PCB設計中的諧波失真

如果 PCB 上沒有理想的四路放大器,則很難測量單個放大器通道的影響。 顯然,給定的放大器通道不僅會干擾其自身的輸入,還會干擾其他通道的輸入。 地電流流經所有不同的通道輸入並產生不同的影響,但受每個輸出的影響,這是可測量的。

表 2 顯示了僅驅動一個通道時在其他未驅動通道上測得的諧波。 未驅動的通道在基頻上顯示小信號(串擾),但在沒有任何重要基頻信號的情況下也會產生由接地電流直接引入的失真。 圖 6 中的低失真佈局表明,由於幾乎消除了接地電流效應,二次諧波和總諧波失真 (THD) 特性得到了極大改善。

如何減少PCB設計中的諧波失真

這篇文章總結

簡單地說,在一塊PCB上,回流電流流經不同的旁路電容(針對不同的電源)和電源本身,與它的電導率成正比。 高頻信號電流流回小旁路電容。 低頻電流,例如音頻信號的電流,可能主要流經較大的旁路電容器。 即使是較低頻率的電流也可能“忽略”完整的旁路電容並直接流回電源線。 具體應用將決定哪條電流路徑最為關鍵。 幸運的是,通過在輸出側使用一個公共接地點和一個接地旁路電容器,可以很容易地保護整個接地電流路徑。

HF PCB 佈局的黃金法則是使 HF 旁路電容器盡可能靠近封裝的電源引腳,但圖 5 和圖 6 的比較表明,修改此規則以改善失真特性並沒有太大區別。 失真特性的改善是以增加約 0.15 英寸的高頻旁路電容器佈線為代價的,但這對 FHP3450 的交流響應性能幾乎沒有影響。 PCB 佈局對於最大化高質量放大器的性能很重要,這裡討論的問題不僅限於高頻放大器。 諸如音頻之類的低頻信號具有更嚴格的失真要求。 低頻時接地電流效應較小,但如果相應地提高所需的失真指數,它可能仍然是一個重要問題。