減少諧波失真的PCB設(shè)計(jì)方法

實(shí)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(huì)將非線性引入信號(hào)內(nèi)呢？答案在于：相對(duì)于電流流過(guò)的地方來(lái)說(shuō)，PCB布局是“空間非線性”的。

放大器是從這個(gè)電源還是從另外一個(gè)電源獲取電流，取決于加負(fù)載上的信號(hào)瞬間極性。電流從電源流出，經(jīng)過(guò)旁路電容，通過(guò)放大器進(jìn)入負(fù)載。然后，電流從負(fù)載接地端(或PCB輸出連接器的屏蔽)回到地平面，經(jīng)過(guò)旁路電容，回到最初提供該電流的電源。

電流流過(guò)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(gè)地平面，常常有不止一個(gè)大比例地電流流經(jīng)的低阻抗路徑：一個(gè)路徑直接連至旁路電容；另一個(gè)在達(dá)到旁路電容前，對(duì)輸入電阻形成激勵(lì)。圖1示意了這兩個(gè)路徑。地回流電流才是真正引發(fā)問(wèn)題的原因。

當(dāng)旁路電容放在PCB的不同位置時(shí)，地電流通過(guò)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(guò)輸入電路的地，則只擾動(dòng)信號(hào)的這一極性的分量電壓。而若地電流的另一極性并沒(méi)施擾，則輸入信號(hào)電壓以一種非線性方式發(fā)生變化。當(dāng)一個(gè)極性分量發(fā)生改變而另一個(gè)極性沒(méi)改動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生失真，并表現(xiàn)為輸出信號(hào)的二次諧波失真。圖2以夸張的形式顯示這種失真效果。

當(dāng)只有正弦波的一個(gè)極性分量受到擾動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的波形就不再是正弦波。用一個(gè)100Ω負(fù)載模擬理想放大器，使負(fù)載電流通過(guò)一個(gè)1Ω電阻，僅在信號(hào)的一個(gè)極性上耦合輸入地電壓，則得到圖3所示的結(jié)果。傅立葉變換顯示，失真波形幾乎全是-68dBc處的二次諧波。當(dāng)頻率很高時(shí)，很容易在PCB上生成這種程度的耦合，它無(wú)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(dāng)單個(gè)運(yùn)算放大器的輸出由于地電流路徑而失真時(shí)，通過(guò)重新安排旁路回路可調(diào)節(jié)地電流流動(dòng)，并保持與輸入器件的距離，如圖4所示。

多放大器芯片

多放大器芯片(兩個(gè)、三個(gè)或者四個(gè)放大器)的問(wèn)題更加復(fù)雜，因?yàn)樗鼰o(wú)法使旁路電容的地連接遠(yuǎn)離全部輸入端。對(duì)四放大器來(lái)說(shuō)更是如此。四放大器芯片的每一邊都有輸入端，所以沒(méi)有空間放置可減輕對(duì)輸入通道擾動(dòng)的旁路電路。

圖5給出了四放大器布局的簡(jiǎn)單方法。大多器件直接連至四放大器管腳。一個(gè)電源的地電流可擾動(dòng)另一個(gè)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(dòng)通道1，而(-Vs)地電流則可能不會(huì)。

為避免這種問(wèn)題，可讓地電流擾動(dòng)輸入，但讓PCB電流以一種空間線性方式流動(dòng)。為實(shí)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(fù)電流對(duì)輸入信號(hào)的擾動(dòng)相等，則將不會(huì)產(chǎn)生失真。因此，使兩個(gè)旁路電容緊挨著排列，以使它們共享一個(gè)接地點(diǎn)。因?yàn)榈仉娏鞯膬蓚€(gè)極性分量來(lái)自同一個(gè)點(diǎn)(輸出連接器屏蔽或負(fù)載地)，并都回流至同一個(gè)點(diǎn)(旁路電容的公共地連接)，所以正/負(fù)電流都流經(jīng)同一路徑。若一個(gè)通道的輸入電阻被(+Vs)電流擾動(dòng)，則(–Vs)電流對(duì)其有相同影響。因?yàn)闊o(wú)論極性是怎樣的，產(chǎn)生的擾動(dòng)都相同，所以不會(huì)產(chǎn)生失真，但將使該通道增益發(fā)生小的變化，如圖6所示。

為驗(yàn)證如上推斷，采用兩個(gè)不同的PCB布局：簡(jiǎn)易布局(圖5)和低失真布局(圖6)。采用飛兆半導(dǎo)體的FHP3450四運(yùn)算放大器所產(chǎn)生的失真如表1所示，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。從表1可看出，失真越嚴(yán)重的通道，改進(jìn)的效果越好，從而使4個(gè)通道在性能上接近相等。

若在PCB上沒(méi)有一個(gè)理想的四放大器，則測(cè)量單一放大器通道的效應(yīng)會(huì)很困難。顯然，一個(gè)給定的放大器通道不僅擾動(dòng)其本身輸入，還會(huì)擾動(dòng)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(gè)輸出的影響，這種影響是可測(cè)量的。

表2給出了當(dāng)只驅(qū)動(dòng)一個(gè)通道時(shí)，在其它未受驅(qū)動(dòng)的通道上測(cè)量到的諧波。未驅(qū)動(dòng)通道在基本頻率上顯示出一個(gè)小信號(hào)(串?dāng)_)，但在沒(méi)有任何顯著基本信號(hào)的情況下，也產(chǎn)生由地電流直接引入的失真。圖6的低失真布局顯示：因?yàn)閹缀跸说仉娏餍?yīng)，二次諧波和總體諧波失真(THD)特性有很大改進(jìn)。

本文小結(jié)

簡(jiǎn)單地說(shuō)，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(hào)電流流回小旁路電容。低頻電流(如音頻信號(hào)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(gè)電流路徑最關(guān)鍵。幸運(yùn)的是，通過(guò)采用公共接地點(diǎn)及輸出側(cè)的地旁路電容，可以容易地保護(hù)全部地電流路徑。

高頻PCB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，但比較圖5和圖6可以看出，為改進(jìn)失真特性而修改該規(guī)則不會(huì)帶來(lái)太大改變。改進(jìn)失真特性是以增加約0.15英寸長(zhǎng)的高頻旁路電容走線為代價(jià)的，但這對(duì)FHP3450的AC響應(yīng)性能影響很小。PCB布局對(duì)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(wèn)題絕非僅限于高頻放大器。類似音頻等頻率更低的信號(hào)對(duì)失真的要求要嚴(yán)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(jìn)所需的失真指標(biāo)，地電流仍可能是一個(gè)重要的問(wèn)題。