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減少諧波失真的PCB設(shè)計方法

發(fā)布時間 :2016-05-18 15:35 閱讀 : 來源 :技術(shù)文章責(zé)任編輯 :深圳宏力捷PCB設(shè)計部
    諧波失真(THD)指原有頻率的各種倍頻的有害干擾。放大1kHZ的頻率信號時會產(chǎn)生2kHZ的2次諧波和3kHZ及許多更高次的諧波,理論上此數(shù)值越小,失真度越低。由于放大器不夠理想,輸出的信號除了包含放大了的輸入成分之外,還新添了一些原信號的2倍、3倍、4倍……甚至更高倍的頻率成分(諧波),致使輸出波形走樣。這種因諧波引起的失真叫做諧波失真。
    實際上印刷線路板(PCB)是由電氣線性材料構(gòu)成的,也即其阻抗應(yīng)是恒定的。那么,PCB為什么會將非線性引入信號內(nèi)呢?答案在于:相對于電流流過的地方來說,PCB設(shè)計布局是“空間非線性”的。
    放大器是從這個電源還是從另外一個電源獲取電流,取決于加負載上的信號瞬間極性。電流從電源流出,經(jīng)過旁路電容,通過放大器進入負載。然后,電流從負載接地端(或PCB輸出連接器的屏蔽)回到地平面,經(jīng)過旁路電容,回到最初提供該電流的電源。
    電流流過阻抗最小路徑的概念是不正確的。電流在全部不同阻抗路徑的多少與其電導(dǎo)率成比例。在一個地平面,常常有不止一個大比例地電流流經(jīng)的低阻抗路徑:一個路徑直接連至旁路電容;另一個在達到旁路電容前,對輸入電阻形成激勵。地回流電流才是真正引發(fā)問題的原因。
    當旁路電容放在PCB的不同位置時,地電流通過不同路徑流至各自的旁路電容,即“空間非線性”所代表的含義。若地電流某一極性的分量的很大部分流過輸入電路的地,則只擾動信號的這一極性的分量電壓。而若地電流的另一極性并沒施擾,則輸入信號電壓以一種非線性方式發(fā)生變化。當一個極性分量發(fā)生改變而另一個極性沒改動時,就會產(chǎn)生失真,并表現(xiàn)為輸出信號的二次諧波失真。圖2以夸張的形式顯示這種失真效果。
    當只有正弦波的一個極性分量受到擾動時,產(chǎn)生的波形就不再是正弦波。用一個100Ω負載模擬理想放大器,使負載電流通過一個1Ω電阻,僅在信號的一個極性上耦合輸入地電壓。失真波形幾乎全是-68dBc處的二次諧波。當頻率很高時,很容易在PCB上生成這種程度的耦合,它無需借助太多PCB特殊的非線性效應(yīng),就可毀掉放大器優(yōu)異的防失真特性。當單個運算放大器的輸出由于地電流路徑而失真時,通過重新安排旁路回路可調(diào)節(jié)地電流流動,并保持與輸入器件的距離。
多放大器芯片
    多放大器芯片(兩個、三個或者四個放大器)的問題更加復(fù)雜,因為它無法使旁路電容的地連接遠離全部輸入端。對四放大器來說更是如此。四放大器芯片的每一邊都有輸入端,所以沒有空間放置可減輕對輸入通道擾動的旁路電路。
    大多器件直接連至四放大器管腳。一個電源的地電流可擾動另一個通道電源的輸入地電壓和地電流,從而導(dǎo)致失真。例如,四放大器通道1上的(+Vs)旁路電容可直接放在臨近其輸入的地方;而(-Vs)旁路電容可放在封裝的另一側(cè)。(+Vs)地電流可擾動通道1,而(-Vs)地電流則可能不會。
  為避免這種問題,可讓地電流擾動輸入,但讓PCB電流以一種空間線性方式流動。為實現(xiàn)此目的,可以采用下方式在PCB上布局旁路電容:使(+Vs)和(–Vs) 地電流流經(jīng)同一路徑。若正/負電流對輸入信號的擾動相等,則將不會產(chǎn)生失真。因此,使兩個旁路電容緊挨著排列,以使它們共享一個接地點。因為地電流的兩個極性分量來自同一個點(輸出連接器屏蔽或負載地),并都回流至同一個點(旁路電容的公共地連接),所以正/負電流都流經(jīng)同一路徑。若一個通道的輸入電阻被(+Vs)電流擾動,則(–Vs)電流對其有相同影響。因為無論極性是怎樣的,產(chǎn)生的擾動都相同,所以不會產(chǎn)生失真,但將使該通道增益發(fā)生小的變化。
  為驗證如上推斷,采用兩個不同的PCB設(shè)計布局:簡易布局和低失真布局。采用飛兆半導(dǎo)體的FHP3450四運算放大器所產(chǎn)生的失真,F(xiàn)HP3450的典型帶寬是210MHz,斜率是1100V/us,輸入偏置電流是100nA,每通道的工作電流是3.6mA。失真越嚴重的通道,改進的效果越好,從而使4個通道在性能上接近相等。
  若在PCB上沒有一個理想的四放大器,則測量單一放大器通道的效應(yīng)會很困難。顯然,一個給定的放大器通道不僅擾動其本身輸入,還會擾動其它通道的輸入。地電流流經(jīng)全部不同的通道輸入,且產(chǎn)生不同效果,但又都受每個輸出的影響,這種影響是可測量的。
  當只驅(qū)動一個通道時,在其它未受驅(qū)動的通道上測量到的諧波。未驅(qū)動通道在基本頻率上顯示出一個小信號(串擾),但在沒有任何顯著基本信號的情況下,也產(chǎn)生由地電流直接引入的失真。低失真布局顯示:因為幾乎消除了地電流效應(yīng),二次諧波和總體諧波失真(THD)特性有很大改進。
  本文小結(jié)
  簡單地說,在PCB上,地回流電流流經(jīng)不同的旁路電容(用于不同的電源)及電源本身,其大小與其電導(dǎo)率成比例。高頻信號電流流回小旁路電容。低頻電流(如音頻信號的電流)可能主要流經(jīng)更大的旁路電容。即使頻率更低的電流也可能“漠視”全部旁路電容的存在,直接流回電源引線。具體的應(yīng)用將決定哪個電流路徑最關(guān)鍵。幸運的是,通過采用公共接地點及輸出側(cè)的地旁路電容,可以容易地保護全部地電流路徑。
  高頻PCB設(shè)計布局的金科玉律是將高頻旁路電容盡可能靠近封裝的電源管腳,為改進失真特性而修改該規(guī)則不會帶來太大改變。改進失真特性是以增加約0.15英寸長的高頻旁路電容走線為代價的,但這對FHP3450的AC響應(yīng)性能影響很小。PCB設(shè)計布局對充分發(fā)揮一款高質(zhì)量放大器的性能很重要,這里討論的問題絕非僅限于高頻放大器。類似音頻等頻率更低的信號對失真的要求要嚴格得多。地電流效應(yīng)在低頻下要小一些,但若要求相應(yīng)改進所需的失真指標,地電流仍可能是一個重要的問題。


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