你不可不知的:PCB設計中如何減少諧波失真?
發布時間:2015-08-14 責任編輯:sherry
【導讀】實際上印刷線路板(PCB)是由電氣線性材料構成的,也即其阻抗應是恒定的。那麼,PCB為什麼會將非線性引入信號內呢?答案在於:相對於電流流過的地方來說,PCB布局是“空間非線性”的。
fangdaqishicongzhegedianyuanhaishiconglingwaiyigedianyuanhuoqudianliu,qujueyujiafuzaishangdexinhaoshunjianjixing。dianliucongdianyuanliuchu,jingguopangludianrong,tongguofangdaqijinrufuzai。ranhou,dianliucongfuzaijiediduan(或PCB輸出連接器的屏蔽)回到地平麵,經過旁路電容,回到最初提供該電流的電源。
dianliuliuguozukangzuixiaolujingdegainianshibuzhengquede。dianliuzaiquanbubutongzukanglujingdeduoshaoyuqidiandaolvchengbili。zaiyigedipingmian,changchangyoubuzhiyigedabilididianliuliujingdedizukanglujing: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。圖1示意了這兩個路徑。地回流電流才是真正引發問題的原因。

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”suodaibiaodehanyi。ruodidianliumouyijixingdefenliangdehendabufenliuguoshurudianludedi,zezhiraodongxinhaodezheyijixingdefenliangdianya。erruodidianliudelingyijixingbingmeishirao,zeshuruxinhaodianyayiyizhongfeixianxingfangshifashengbianhua。dangyigejixingfenliangfashenggaibianerlingyigejixingmeigaidongshi,jiuhuichanshengshizhen,bingbiaoxianweishuchuxinhaodeercixieboshizhen。tu2以誇張的形式顯示這種失真效果。

當隻有正弦波的一個極性分量受到擾動時,產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,則得到圖3所示的結果。傅立葉變換顯示,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(te)殊(shu)的(de)非(fei)線(xian)性(xing)效(xiao)應(ying),就(jiu)可(ke)毀(hui)掉(diao)放(fang)大(da)器(qi)優(you)異(yi)的(de)防(fang)失(shi)真(zhen)特(te)性(xing)。當(dang)單(dan)個(ge)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)由(you)於(yu)地(di)電(dian)流(liu)路(lu)徑(jing)而(er)失(shi)真(zhen)時(shi),通(tong)過(guo)重(zhong)新(xin)安(an)排(pai)旁(pang)路(lu)回(hui)路(lu)可(ke)調(tiao)節(jie)地(di)電(dian)流(liu)流(liu)動(dong),並(bing)保(bao)持(chi)與(yu)輸(shu)入(ru)器(qi)件(jian)的(de)距(ju)離(li),如(ru)圖(tu)4所示。

多放大器芯片
多放大器芯片(兩個、三個或者四個放大器)dewentigengjiafuza,yinweitawufashipangludianrongdedilianjieyuanliquanbushuruduan。duisifangdaqilaishuogengshiruci。sifangdaqixinpiandemeiyibiandouyoushuruduan,suoyimeiyoukongjianfangzhikejianqingduishurutongdaoraodongdepangludianlu。

圖5給(gei)出(chu)了(le)四(si)放(fang)大(da)器(qi)布(bu)局(ju)的(de)簡(jian)單(dan)方(fang)法(fa)。大(da)多(duo)器(qi)件(jian)直(zhi)接(jie)連(lian)至(zhi)四(si)放(fang)大(da)器(qi)管(guan)腳(jiao)。一(yi)個(ge)電(dian)源(yuan)的(de)地(di)電(dian)流(liu)可(ke)擾(rao)動(dong)另(ling)一(yi)個(ge)通(tong)道(dao)電(dian)源(yuan)的(de)輸(shu)入(ru)地(di)電(dian)壓(ya)和(he)地(di)電(dian)流(liu),從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)失(shi)真(zhen)。例(li)如(ru),四(si)放(fang)大(da)器(qi)通(tong)道(dao)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。(+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)地電流流經同一路徑。若正/負fu電dian流liu對dui輸shu入ru信xin號hao的de擾rao動dong相xiang等deng,則ze將jiang不bu會hui產chan生sheng失shi真zhen。因yin此ci,使shi兩liang個ge旁pang路lu電dian容rong緊jin挨ai著zhe排pai列lie,以yi使shi它ta們men共gong享xiang一yi個ge接jie地di點dian。因yin為wei地di電dian流liu的de兩liang個ge極ji性xing分fen量liang來lai自zi同tong一yi個ge點dian(輸出連接器屏蔽或負載地),並都回流至同一個點(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,產生的擾動都相同,所以不會產生失真,但將使該通道增益發生小的變化,如圖6所示。

為驗證如上推斷,采用兩個不同的PCB布局:簡易布局(圖5)和低失真布局(圖6)。采用飛兆半導體的FHP3450四運算放大器所產生的失真如表1所示,FHP3450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PCBshangmeiyouyigelixiangdesifangdaqi,zeceliangdanyifangdaqitongdaodexiaoyinghuihenkunnan。xianran,yigegeidingdefangdaqitongdaobujinraodongqibenshenshuru,haihuiraodongqitatongdaodeshuru。didianliuliujingquanbubutongdetongdaoshuru,qiechanshengbutongxiaoguo,danyoudoushoumeigeshuchudeyingxiang,zhezhongyingxiangshikeceliangde。
表2給出了當隻驅動一個通道時,在其它未受驅動的通道上測量到的諧波。未驅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,也產生由地電流直接引入的失真。圖6的低失真布局顯示:因為幾乎消除了地電流效應,二次諧波和總體諧波失真(THD)特性有很大改進。

結論
簡單地說,在PCB上,地回流電流流經不同的旁路電容(用於不同的電源)及電源本身,其大小與其電導率成比例。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)可能主要流經更大的旁路電容。即使頻率更低的電流也可能“漠視”quanbupangludianrongdecunzai,zhijieliuhuidianyuanyinxian。jutideyingyongjiangjuedingnagedianliulujingzuiguanjian。xingyundeshi,tongguocaiyonggonggongjiedidianjishuchucededipangludianrong,keyirongyidibaohuquanbudidianliulujing。
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,為改進失真特性而修改該規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響應性能影響很小。PCB布(bu)局(ju)對(dui)充(chong)分(fen)發(fa)揮(hui)一(yi)款(kuan)高(gao)質(zhi)量(liang)放(fang)大(da)器(qi)的(de)性(xing)能(neng)很(hen)重(zhong)要(yao),這(zhe)裏(li)討(tao)論(lun)的(de)問(wen)題(ti)絕(jue)非(fei)僅(jin)限(xian)於(yu)高(gao)頻(pin)放(fang)大(da)器(qi)。類(lei)似(si)音(yin)頻(pin)等(deng)頻(pin)率(lv)更(geng)低(di)的(de)信(xin)號(hao)對(dui)失(shi)真(zhen)的(de)要(yao)求(qiu)要(yao)嚴(yan)格(ge)得(de)多(duo)。地(di)電(dian)流(liu)效(xiao)應(ying)在(zai)低(di)頻(pin)下(xia)要(yao)小(xiao)一(yi)些(xie),但(dan)若(ruo)要(yao)求(qiu)相(xiang)應(ying)改(gai)進(jin)所(suo)需(xu)的(de)失(shi)真(zhen)指(zhi)標(biao),地(di)電(dian)流(liu)仍(reng)可(ke)能(neng)是(shi)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)的(de)問(wen)題(ti)。
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