事实上， 印刷电路板 (PCB) 由电气线性材料制成，即它们的阻抗应该是恒定的。 那么为什么 PCB 会在信号中引入非线性呢？ 答案是 PCB 布局相对于电流流动的位置是“空间非线性的”。

放大器是否从一个源或另一个源接收电流取决于负载上信号的瞬时极性。 电流从电源流出，经过旁路电容，经过放大器进入负载。 然后，电流从负载接地端子（或 PCB 输出连接器的屏蔽）返回接地层，通过旁路电容器，并返回到最初提供电流的电源。

电流通过阻抗的最小路径的概念是不正确的。 所有不同阻抗路径中的电流量与其电导率成正比。 在一个地平面中，通常有不止一条低阻抗路径，大部分地电流流经：一条路径直接连接到旁路电容； 另一个激励输入电阻，直到达到旁路电容。 图 1 说明了这两条路径。 回流电流才是真正导致问题的原因。

如何减少PCB设计中的谐波失真

当旁路电容放置在PCB的不同位置时，地电流会通过不同的路径流向各个旁路电容，这就是“空间非线性”的含义。 如果接地电流的极性分量的很大一部分流经输入电路的接地，则只有信号的极性分量会受到干扰。 如果接地电流的另一个极性不受干扰，则输入信号电压以非线性方式变化。 当一个极性分量改变而另一个极性不变时，就会发生失真，表现为输出信号的二次谐波失真。 图 2 以夸张的形式显示了这种失真效果。

如何减少PCB设计中的谐波失真

当正弦波中只有一个极性分量受到干扰时，产生的波形就不再是正弦波。 模拟具有 100-ω 负载的理想放大器，并将负载电流通过 1-ω 电阻耦合到仅在信号的一个极性上的接地电压中，结果如图 3 所示。傅里叶变换表明失真波形几乎都是-68 DBC 处的二次谐波。 在高频下，这种耦合水平很容易在 PCB 上产生，这会破坏放大器出色的抗失真特性，而无需借助 PCB 的许多特殊非线性效应。 当单个运算放大器的输出由于接地电流路径而失真时，可以通过重新布置旁路回路并保持与输入设备的距离来调整接地电流，如图 4 所示。

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多功放芯片

多放大器芯片（两个、三个或四个放大器）的问题因无法使旁路电容器的接地连接远离整个输入而变得更加复杂。 对于四个放大器尤其如此。 四放大器芯片在每一侧都有输入端子，因此没有空间用于减轻对输入通道的干扰的旁路电路。

如何减少PCB设计中的谐波失真

图 5 显示了一种四放大器布局的简单方法。 大多数设备直接连接到四路放大器引脚。 一个电源的地电流会干扰另一路电源的输入地电压和地电流，导致失真。 例如，四通道放大器通道 1 上的 (+Vs) 旁路电容器可以直接放置在其输入附近； (-Vs) 旁路电容器可以放置在封装的另一侧。 (+Vs) 地电流会干扰通道 1，而 (-vs) 地电流可能不会。

如何减少PCB设计中的谐波失真

为了避免这个问题，让接地电流扰乱输入，但让 PCB 电流以空间线性方式流动。 为了实现这一点，旁路电容器可以这样布置在 PCB 上，使 (+Vs) 和 (-Vs) 接地电流流过同一路径。 如果输入信号受到正负电流的同等干扰，则不会发生失真。 因此，将两个旁路电容器彼此相邻对齐，以便它们共享一个接地点。 由于接地电流的两个极性分量来自同一点（输出连接器屏蔽或负载接地）并流回到同一点（旁路电容器的公共接地连接），因此正/负电流流过相同的路径。 如果通道的输入电阻受到 (+Vs) 电流的干扰，则 (-Vs) 电流对其有相同的影响。 因为无论极性如何，产生的干扰都是相同的，所以没有失真，但会出现通道增益的微小变化，如图 6 所示。

如何减少PCB设计中的谐波失真

为了验证上述推论，使用了两种不同的 PCB 布局：简单布局（图 5）和低失真布局（图 6）。 使用飞兆半导体的FHP3450四运放产生的失真如表1所示。 FHP3450的典型带宽为210MHz，斜率为1100V/us，输入偏置电流为100nA，每通道工作电流为3.6嘛。 从表1可以看出，通道失真越多，改善效果越好，因此四个通道的性能几乎相等。

如何减少PCB设计中的谐波失真

如果 PCB 上没有理想的四路放大器，则很难测量单个放大器通道的影响。 显然，给定的放大器通道不仅会干扰其自身的输入，还会干扰其他通道的输入。 地电流流经所有不同的通道输入并产生不同的影响，但受每个输出的影响，这是可测量的。

表 2 显示了仅驱动一个通道时在其他未驱动通道上测得的谐波。 未驱动的通道在基频上显示小信号（串扰），但在没有任何重要基频信号的情况下也会产生由接地电流直接引入的失真。 图 6 中的低失真布局表明，由于几乎消除了接地电流效应，二次谐波和总谐波失真 (THD) 特性得到了极大改善。

如何减少PCB设计中的谐波失真

这篇文章总结

简单地说，在一块PCB上，回流电流流经不同的旁路电容（针对不同的电源）和电源本身，与它的电导率成正比。 高频信号电流流回小旁路电容。 低频电流，例如音频信号的电流，可能主要流经较大的旁路电容器。 即使是较低频率的电流也可能“忽略”完整的旁路电容并直接流回电源线。 具体应用将决定哪条电流路径最为关键。 幸运的是，通过在输出侧使用一个公共接地点和一个接地旁路电容器，可以很容易地保护整个接地电流路径。

HF PCB 布局的黄金法则是使 HF 旁路电容器尽可能靠近封装的电源引脚，但图 5 和图 6 的比较表明，修改此规则以改善失真特性并没有太大区别。 失真特性的改善是以增加约 0.15 英寸的高频旁路电容器布线为代价的，但这对 FHP3450 的交流响应性能几乎没有影响。 PCB 布局对于最大化高质量放大器的性能很重要，这里讨论的问题不仅限于高频放大器。 诸如音频之类的低频信号具有更严格的失真要求。 低频时接地电流效应较小，但如果相应地提高所需的失真指数，它可能仍然是一个重要问题。