正確的印制電路板布局可改善動態(tài)范圍

時間：2018-07-27 12:30:05

關(guān)鍵字：布局正確電路板

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[導(dǎo)讀]諧波失真極低的現(xiàn)代IC放大器，在一系列應(yīng)用中可以改善動態(tài)范圍。但是，要特別注意這些放大器在印制電路板上的布局，因為不當(dāng)?shù)挠≈齐娐钒宀季挚梢允故д嫘阅軔夯?0dB。典型的高速放大器結(jié)構(gòu)都包括兩套旁路電容器（圖

諧波失真極低的現(xiàn)代IC放大器，在一系列應(yīng)用中可以改善動態(tài)范圍。但是，要特別注意這些放大器在印制電路板上的布局，因為不當(dāng)?shù)挠≈齐娐钒宀季挚梢允故д嫘阅軔夯?0dB。

典型的高速放大器結(jié)構(gòu)都包括兩套旁路電容器（圖 1）。一套電容器的電容量較大（約 1mF 至 10mF），另一套則要小幾個數(shù)量級（1nF至100nF）。在放大器的電源衰減較低的頻率下這些電容器能提供一個低阻抗的接地通路。一個高速放大器的正確旁路通常需要兩組或兩組以上的電容器，因為在放大器帶寬上限前，電容量較大的電容器組一般會發(fā)生自諧振。高質(zhì)量的片式電容器是理想的去耦電容器，因為它們與通孔式電容器相比，電感量要低很多。

電阻器RT用于端接放大器的輸入，使源阻抗與用于測量的測試儀器的阻抗相匹配。在不使用傳輸線的應(yīng)用電路中，無需使用端接電阻器。圖中放大器的輸出驅(qū)動負(fù)載為RL，RL表示放大器要驅(qū)動的任何可能的負(fù)載。當(dāng)放大器的輸出電壓為正時，放大器必須為RL提供電流。同樣，當(dāng)輸出電壓為負(fù)時，放大器必須吸收電流。無論放大器是通過負(fù)載吸收電流還是為負(fù)載提供電流，都要有電流返回電源的通道。電流在返回時會選擇最低阻抗的通道。

在高頻情況下，最低阻抗通道是經(jīng)過旁路電容器。當(dāng)放大器提供或吸收高頻電流時，該電流要流經(jīng)多個回路。上行旁路電容器的接地端為運放提供電流，而運放的吸收電流通過下行旁路電容器接地。每個流經(jīng)旁路電容器的高頻電流都被半波整流。有效旁路的關(guān)鍵是要了解高頻電流如何流動。

所示電路包括驅(qū)動等效1kΩ負(fù)載的一個高速放大器，負(fù)載構(gòu)成一個衰減器，為測試需要保持一個50Ω的反向端接（圖 2）。輸入也端接到50Ω，以匹配使用的信號源。不同電路板布局的失真測量結(jié)果各不相同（圖3與圖4）。對電路布局的高頻電流環(huán)路進(jìn)行分析將有助于闡明這些二次諧波失真的差異（圖5）。

圖 3 表示的是較差的情況，電源位于印制電路板的背面，意味著旁路電容器要由通孔（從印制電路板的一層到另一層的通孔）連接到電源。這些通孔會增加高頻電流回路的電感。當(dāng)放大器吸收電流時，該電流通過一個實心地層返回到C2和C4。然而，當(dāng)放大器提供電流時，該電流在返回C1和C3以前，要通過兩組感性通孔。

在高頻情況下，這些電感可以增加相當(dāng)大的阻抗。當(dāng)高頻電流通過這些阻抗時，就會產(chǎn)生誤差電壓。由于高頻電流是半波整流的，誤差電壓也是半波整流的。經(jīng)半波整流的信號攜帶有大量的奇次諧波成份，會引起二次諧波失真，而三次諧波則保持不變。

圖 4 則相反，它是一種改進(jìn)的布局，電源在電路板正面旁路，所以旁路電容器不需要使用通孔。另外，負(fù)載接地靠近兩個去耦網(wǎng)絡(luò)，所以，在放大器提供和吸收高頻電流的通道上也無需通孔。這種經(jīng)改進(jìn)的印制電路板布局方法將二次諧波失真指標(biāo)改善了3dBc 至18dBc。并且這種改善適用于各種頻率。

差分旁路

旁路方法對避免接地問題很有用。可以對圖1進(jìn)行修改，使一組旁路電容器（C1和C3）跨接在電源上，而另一組旁路電容器（C2和C4）仍然連接在電源與接地之間。

這種結(jié)構(gòu)可以方便地在印制電路板上實現(xiàn)旁路電容器與負(fù)載的真正接地。負(fù)載與旁路電容器的完全接地可以將兩接地點之間的電感減少到最低程度，因而減小了高頻地電流形成的誤差電壓。另外，高頻電流在返回負(fù)載或進(jìn)入負(fù)載前就整合起來，就不會出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)旁路情況下的半波整流問題，也就幾乎不包含奇次諧波成份。因此，電流通道中產(chǎn)生的誤差電壓不會增大失真。

將這一技術(shù)應(yīng)用于一個旁路不良的電路布局（圖 6）中，能夠顯著地改善失真。要記住旁路電容器走線應(yīng)盡量短，盡量不使用通孔。必須用通孔時，應(yīng)牢記兩個并行通孔的電感只有單一通孔電感的一半。當(dāng)增加通孔直徑時，通孔的電感量也會減小。當(dāng)需要反饋網(wǎng)絡(luò)接地時，而閉環(huán)增益大于 1的情況下，這種方法已證明特別有用。在這樣的情況下，反饋網(wǎng)絡(luò)是放大器負(fù)載的有效部分。流經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)的高頻電流也通過旁路電容器返回電源。所以，還需要確定反饋網(wǎng)絡(luò)的接地方式，使旁路電容器增加的電感量達(dá)到最小。

負(fù)載接地電流效應(yīng)

在上面的例子中，我們討論了不良旁路接地位置對諧波失真的影響。高頻電流通路的評測顯示，負(fù)載接地對布局也有影響。對長的負(fù)載電流返回通路，100Ω 負(fù)載包括一個49.9Ω 的反向端接電阻器和一個 50Ω的電阻器（圖 7）。50Ω 電阻器是用于測量的頻譜分析儀的輸入阻抗。傳輸線是約一英寸長的50Ω印制電路板走線，再串接6英寸長的高質(zhì)量50Ω同軸電纜。提供和吸收的高頻電流必須經(jīng)過一個長長的感性回路，包括100Ω負(fù)載、多個旁路電容器、傳輸線，以及放大器的輸出級。

為縮短負(fù)載電流的返回通路，用一個976Ω電阻器替換49.9Ω電阻器，在其左側(cè)用一個114Ω電阻器接地，在右側(cè)用一個52.3Ω電阻器接地。對放大器來說，這一電路可實現(xiàn)相同的100Ω有效負(fù)載，并且到頻譜分析儀50Ω 端接處仍然存在一條長通路。然而，由于有了114Ω電阻器，現(xiàn)在大部分負(fù)載電流有一個至旁路電容器的短返通路。這個短返通路的電感比前例中的長返通路要小得多。當(dāng)高頻電流流經(jīng)這些回路時，較小的電感產(chǎn)生的誤差電壓也較低。盡管這種結(jié)構(gòu)不能用于驅(qū)動反向端接線路，但它仍然優(yōu)化了放大器驅(qū)動重負(fù)載（例如低噪聲電路結(jié)構(gòu)中的低阻抗反饋網(wǎng)路）的能力。

對這兩種負(fù)載電流返回通路的二次諧波失真進(jìn)行比較，可以看到，負(fù)載電流的長返回通路增加了高頻電流回路的尺寸（圖 8）。由于回路較長，因此有更大電感量。通過旁路電容器出入負(fù)載的高頻半波整流電流會產(chǎn)生誤差電壓。由于這些誤差電壓是半波整流的，因此會影響到二次諧波失真指標(biāo)。本例顯示出保持高頻電流通路盡量短的重要性，方法是不要在遠(yuǎn)離放大器的地方將負(fù)載接地。

不幸的是，用戶很難改變放大器的管腳引出位置，管腳位置也可以對失真造成重大影響。造成問題的原因是，在一個標(biāo)準(zhǔn)的 SO-8 封裝上，負(fù)電源管腳正挨著放大器的非反相輸入端（圖 9）。當(dāng)電流流入放大器時，會從負(fù)電源流出。這個電流（dLS）產(chǎn)生一個磁場 B，把負(fù)電源管腳耦合至非反相輸入端。這兩個管腳的耦合可在非反相輸入端產(chǎn)生誤差電流（dIIP）。

根據(jù)楞次(Lenz)定律，磁場產(chǎn)生的電流方向與磁場方向相反。這個誤差電流會產(chǎn)生一個誤差電壓，它出現(xiàn)在每個周期的一半中，因為 -VS 只在一半時間里提供負(fù)載電流。因此，輸入電壓會產(chǎn)生一種不對稱，導(dǎo)致偶次諧波失真加重。有些放大器會可旋轉(zhuǎn)引出腳，將負(fù)電源與非反相輸入端分開（圖10）。