電子設計 - 高調波歪みを低減するPCB設計方法

以下は高調波歪を低減するPCB設計方法の紹介である

高調波歪（THD）とは、元の周波数の様々な倍数の有害な干渉を指す。1 kHZの周波数信号を増幅すると、2 kHZと3 kHZの第2高調波と多くの高調波が発生する。理論的には、値が小さいほど歪みは低くなります。増幅器が理想的ではないため、増幅された入力成分に加えて、出力信号は2倍、3倍、4倍増加した。。。あるいは、元の信号のより高い周波数成分（高調波）でさえ出力波形が変形することがある。この高調波による歪みを高調波歪と呼ぶ。

実際、プリント配線基板（PCB）は電気線形材料で作られており、つまりインピーダンスは一定であるべきである。では、なぜPCBは信号に非線形性を導入するのでしょうか。答えは：電流が流れる場所に対して、PCB設計レイアウトは「空間非線形」です。

増幅器が電源から取り込まれるか、別の電源から取り込まれるかは、負荷に印加される信号の瞬時極性に依存する。電源から電流が流出し、コンデンサをバイパスし、増幅器を介して負荷に入る。その後、電流は負荷接地（またはPCB出力コネクタのシールド）から接地面に戻り、コンデンサをバイパスし、最初に電流を供給した電源に戻る。

最小インピーダンス経路を流れる電流の概念は正しくない。すべての異なるインピーダンス経路における電気流量は、その導電率に比例する。接地面には、通常、複数の低インピーダンス経路があり、接地電流の大部分はこれらの経路を通って流れる：1つの経路がバイパスコンデンサに直接接続され、もう1つは、バイパスコンデンサに到達する前に入力抵抗を刺激することである。接地回路電流が問題の真の原因である。

バイパスキャパシタがPCB上の異なる位置に配置されると、接地電流は異なる経路を通って対応するバイパスキャパシタに流れる。これは「空間非線形」の意味である。接地電流のある極性の成分の大部分が入力回路の接地を流れると、信号のその極性の成分電圧だけが妨害される。接地電流の他の極性が干渉されない場合、入力信号電圧は非線形に変化する。一方の極性成分が変化し、他方の極性が変化しない場合、歪みが発生し、出力信号の第2高調波歪みとして表現される。図2は、この歪み効果を誇張して示している。

正弦波が1つの極性成分だけが干渉されると、生成される波形は正弦波ではなくなります。100μ負荷は理想的な増幅器をシミュレートするために使用され、負荷電流は1μ抵抗器を通過し、入力接地電圧は信号の1つの極性にのみ結合される。歪んだ波形のほとんどは−68 dBcの第二高調波である。周波数が高い場合、PCBにこの程度の結合が生じやすい。PCBの特殊な非線形効果を利用することなく、増幅器の優れた耐歪特性を破壊することができます。単一オペアンプの出力が接地電流経路によって歪んでいる場合、バイパス回路を再配置し、入力装置との距離を保つことで接地電流を調整することができます。

マルチアンプチップ

バイパスキャパシタの接地接続をすべての入力端子から遠ざけることができないため、マルチアンプチップ（2、3、または4個の増幅器）の問題はさらに複雑です。4ウェイ増幅器では特にそうです。4つの増幅器チップのそれぞれの側には入力端子が1つあるので、入力チャネルへの干渉を減らすことができるバイパス回路を収容するスペースはありません。

ほとんどのデバイスは4つのアンプピンに直接接続されています。一方の電源の接地電流が他方のチャネル電源の入力接地電圧と接地電流を妨害し、歪みを引き起こす。例えば、4ウェイ増幅器チャネル1上の（＋Vs）バイパスキャパシタをその入力端付近に直接配置することができ、また、（−Vs）バイパスキャパシタはパッケージの反対側に配置することができる。（＋Vs）接地電流はチャネル1を妨害するが、（−Vs）接地電流はできない可能性がある。

この問題を回避するために、接地電流干渉入力を許可することができるが、PCB電流は空間線形に流れることができる。これを実現するために、PCB上にバイパスキャパシタをレイアウトします。(+Vs)と(226 Vs)の接地電流を同じ経路に流すことができます。入力信号に対する正／負電流の干渉が等しい場合、歪みは発生しない。したがって、2つのバイパスキャパシタは互いに隣接して配置され、それによってそれらは1つの接地点を共有する。接地電流の2つの極性成分は同じ点（出力コネクタシールドまたは負荷接地）から来ており、ともに同じ点（バイパスコンデンサの共通接地接続）に戻っているため、正負電流はすべて同じ経路を流れる。チャネルの入力抵抗が（+Vs）電流に干渉されると、（-Vs）電流はそれに同じ影響を与える。極性にかかわらず干渉は同じであるため、歪みは発生しないが、チャネル利得はわずかに変化する。

上記の推論を検証するために、単純レイアウトと低歪レイアウトの2つの異なるPCB設計レイアウトを使用した。FairchildのFHP 3450四路演算増幅器を使用して、FHP 3450の典型的な帯域幅は210 MHz、傾きは1100 V/us、入力バイアス電流は100 nA、各チャネルの動作電流は3.6 mAである。チャネル歪みが大きいほど改善効果が高いため、4つのチャネルの性能はほぼ等しい。

PCBに理想的な4ウェイ増幅器がないと、単一の増幅器チャネルの効果を測定するのは難しい。明らかに、与えられた増幅器チャネルは、自身の入力だけでなく、他のチャネルの入力にも干渉することがあります。接地電流はすべての異なるチャネル入力に流れ、異なる効果をもたらしますが、出力ごとに影響を受けます。この影響は測定できる。

1つのチャネルだけが駆動されている場合、他の駆動されていないチャネルで測定される高調波。非駆動チャネルは、基本周波数において小さな信号（クロストーク）を示すが、明らかな基本周波数信号はなく、接地電流が直接導入される歪みも発生する。低歪レイアウトは、接地電流効果がほとんど除去されたため、第2高調波と全高調波歪（THD）特性が大幅に改善されたことを示している。

本文の要約

簡単に言えば、PCB上では、接地リターン電流は異なるバイパスコンデンサ（異なる電源用）と電源自体を流れ、その大きさはその導電率に比例する。高周波信号電流は小バイパスコンデンサに戻る。オーディオ信号電流のような低周波電流は、主に大きなバイパスキャパシタを流れることがあります。低周波数の電流でもバイパスコンデンサの存在を「無視」して、電源ケーブルに直接戻ることがあります。具体的なアプリケーションでは、どの電流経路が最も重要であるかを決定します。幸いなことに、出力側に共通接地点と接地バイパスコンデンサを使用することで、すべての接地電流経路を容易に保護することができる。

高周波PCB設計レイアウトの黄金法則は、高周波バイパスキャパシタをパッケージの電源ピンにできるだけ近づけることである。この規則を修正して歪み特性を改善しても大きな変化はありません。歪特性の改善は、約0.15インチの高周波バイパスキャパシタトレースを増加させることを代償とするが、これはFHP 3450の交流応答性能にほとんど影響を与えない。PCB設計レイアウトは高品質増幅器の性能を十分に発揮するために非常に重要であり、ここで議論する問題は決して高周波増幅器に限らない。オーディオなどの低周波信号は歪みに対する要求がはるかに厳しい。接地電流効果は低周波では小さいが、それに応じて必要な歪み指数を高める必要がある場合、接地電流は依然として重要な問題である可能性がある。