PCBニュース - 高周波PCB設計における高調波歪低減の黄金則

事実上, the プリント回路基板(PCB) is made of electrical linear materials, それで, そのインピーダンスは一定でなければならない. So, なぜですか PCB 非線形性を信号に導入する? その答えは事実である PCB レイアウトは「空間的に非線形」です.

増幅器がこの電源または他の電源から電流を引き出すかどうかは、負荷に印加される信号の瞬時極性に依存する。電流は電源から流れ、バイパスコンデンサを通過し、増幅器を介して負荷に入る。そして、負荷グランド（PCB出力コネクタのシールド）からグランドプレーンに戻り、バイパスコンデンサを通って電流を供給する電源に戻る。

最小インピーダンスの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の電流量は、その導電率に比例する。グランドプレーンにおいて、多くの場合、接地電流の大部分が流れる1つの低インピーダンス経路がある。もう一つは、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。図1は、これら2つの経路を示す。グランドリターン電流は、問題の本当の原因です。

バイパスコンデンサが異なる位置に置かれるとき PCBボード, 接地電流は異なる経路を通ってそれぞれのバイパスキャパシタに流れる, 「空間的非線形性」の意味. 接地電流のある極性のコンポーネントの大部分が入力回路のグラウンドを流れる場合, 信号のこの極性の成分電圧のみが妨害される. 接地電流の他方の極性が妨げられない場合, 入力信号電圧は非線形に変化する. つの極性成分が変更され、他方の極性が変化しないとき, 歪みが発生する, そして、それは出力信号の第2の高調波歪みとして現れる. 図2は誇張された形でこの歪み効果を示している.

正弦波の1つの極性成分だけが妨害されるときに、結果として生じる波形はもはや正弦波でない。理想的な増幅器をシミュレートするために100 KHz負荷を使用し、負荷電流を1アンペア抵抗器を通過させ、入力接地電圧を信号の1つの極性だけに結合し、図3に示す結果を得る。フーリエ変換は歪んだ波形が−68 dbcでほぼすべて第2高調波であることを示している。周波数が高い場合、PCB上でこの程度の結合を発生させることは容易である。それは、PCBの多すぎる特殊な非線形効果に頼ることなく、増幅器の優れた反歪み特性を破壊することができます。接地電流経路によって単一のオペアンプの出力が歪んだ場合、図4に示すように、バイパスループを再配置し、入力装置からの距離を保つことによって、接地電流の流れを調整することができる。

Multi-amplifier chip
The problem of multi-amplifier chips (two, three or four amplifiers) is more complicated beca米国e it cannot keep the ground connections of the bypass capacitors far away from all inputs. これは、クワッド増幅器. つの増幅器チップの各側は入力端子を有する, したがって、入力チャネルへの外乱を減少させることができるバイパス回路のためのスペースはない.

図4は、4つの増幅器レイアウトの簡単な方法を示す。大部分のデバイスは、4つのアンプ・ピンに直接に接続される。つの電源の接地電流は、他のチャネル電源の入力接地電圧および接地電流を乱すことができ、歪みを引き起こす。例えば、クワッド増幅器のチャネル1上の（＋VS）バイパスコンデンサは、その入力のすぐ近くに配置することができるそして、（−VS）バイパスコンデンサを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を乱すことができ、一方（−VS）接地電流は妨げられない。

この問題を回避するために、接地電流は入力を妨げるが、PCB電流は空間的に直線的に流れる。これを達成するためには、PCB上のレイアウトバイパスコンデンサに以下の方法を使用することができます。入力信号への正／負電流の外乱が等しい場合、歪みはない。このため、2つのバイパスコンデンサは互いに隣り合うように配置され、接地点を共有する。接地電流の2つの極性成分が同じポイント（出力コネクタシールドまたは負荷グラウンド）から来て、両方とも同じポイント（バイパスコンデンサの共通接地接続）に戻るので、正の電流と負の電流の両方が同じ経路を流れる。チャネルの入力抵抗が（＋VS）電流によって妨げられるならば、（奇数アンペアVS）電流はそれに同じ効果を有する。極性が何であっても、外乱は同じであるので、歪みはないが、図6に示すように、チャネル利得の小さな変化が生じる。

上記の推論を検証するために、2つの異なるPCBレイアウトが使用されます：簡単なレイアウト（図5）と低歪みレイアウト（図6）。FairchildのFHP 3450のクワッド演算増幅器の歪みを表1に示す。fhp 3450の典型的帯域幅は210 mhz，傾斜は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。表1から、チャネルの歪みがより厳しくなると、改善効果が向上し、4チャネルがほぼ同等であることが分かる。

理想的なクワッド増幅器なしで PCB, 単一増幅器チャネルの影響を測定することは困難であろう. 明らかに, 与えられた増幅器チャネルは、それ自身の入力を妨害しない, 他のチャンネルの入力も. 接地電流は、すべての異なるチャンネル入力を通って流れて、異なる効果を生じる, しかし、すべての出力ごとに影響されて. この効果は測定可能である.
表2は、1つのチャンネルだけが駆動されるときに、他の未駆動チャネル上で測定された高調波を示す. The undriven channel shows a small signal (crosstalk) at the fundamental frequency, しかし、重要な基本信号なしで, また、接地電流によって直接導入される歪みを生じる. The low-distortion layout in Figure 6 shows that the second harmonic and total harmonic distortion (THD) characteristics are greatly improved because the ground current effect is almost eliminated.

Summary of this article
Simply put, で PCB, the ground return current flows through different bypass capacitors (for different power supplies) and the power supply itself, その大きさはその導電率に比例する. 高周波信号電流は、小さなバイパスキャパシタ105に戻る. Low-frequency currents (such as audio signal currents) may mainly flow through larger bypass capacitors. より低い周波数電流は、全てのバイパスコンデンサの存在を「無視する」ことができ、直接リード線114に戻ることができる. 特定のアプリケーションでは、どのパスが最も重要かを決定します. 幸い, 共通接地点および接地バイパスコンデンサを出力側に用いることによって, すべての接地電流経路を容易に保護することができる.
高周波の黄金律 PCB レイアウトは、パッケージの電源ピンに可能な限り高周波バイパスコンデンサを配置することである. しかし, 図5と6の比較, 歪みの特性を改善するためにこの規則を変更することは多くの変化をもたらさない. 歪み特性の改善は、約0を加えるコストになる.15インチの高周波バイパスコンデンサ跡, しかし、これはFHP 3450のAC応答性能にほとんど影響しない. PCB レイアウトは、高品質のアンプのパフォーマンスに完全なプレーを与えるために非常に重要です, ここで論じられる問題は、高周波増幅器に限定されるものではない. オーディオのような低い周波数信号は、歪曲のためのより厳しい要件を有する. 低周波数では接地電流効果が小さい, しかし、必要に応じて歪みインデックスを改善する必要がある場合, 接地電流は依然として重要な問題である.

The above is an introduction to the golden rule of reducing harmonic distortion in 高周波PCB設計. IPCBも提供されて PCBメーカー and PCB 製造技術.