PCBニュース - 高周波プリント基板設計における高調波歪低減の黄金則

実際、プリント基板（PCB）は電気的に直線的な材料でできており、つまりそのインピーダンスは一定のはずである。では、なぜPCBは信号に非線形性をもたらすのでしょうか？その答えは、PCBのレイアウトが電流の流れる場所に対して「空間的に非線形」であるという事実にある。

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。

マルチアンプチップ

マルチアンプチップ（2、3、4アンプ）の問題は、バイパスのグランド接続を維持できないため、より複雑です。4つのアンプ・チップの各面に入力端子があるため、入力チャンネルへの外乱を低減できるバイパス回路を設けるスペースがない。

図4は、4アンプレイアウトのシンプルな方法を示している。ほとんどのデバイスは4アンプ端子に直接接続されている。1つの電源のグラウンド電流は、他のチャンネル電源の入力グラウンド電圧とグラウンド電流を妨害し、歪みを引き起こす可能性がある。例えば、クアッドアンプのチャンネル1の（+VS）バイパスコンデンサは、その入力の近くに配置することができ、（-VS）バイパスコンデンサは、パッケージの反対側に配置することができます。(-VS)のグランド電流は妨げられないが、(-VS)のグランド電流はチャンネル1を混乱させる可能性がある。

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を駆動した場合に、他の非駆動チャンネルで測定された高調波を示している。非駆動チャンネルは、基本周波数に小さな信号（クロストーク）を示しますが、重要な基本信号はなく、グラウンド電流によって直接導入された歪みも生じます。図6の低歪みレイアウトでは、グランド電流の影響がほとんどなくなるため、第2高調波および全高調波歪み（THD）特性が大幅に改善されています。

この記事の要約

簡単に言えば、プリント基板では、グランドリターン電流は（電源ごとに）異なるバイパスコンデンサーと電源そのものを流れ、その大きさは導電率に比例する。高周波信号電流は105個の小さなバイパス・コンデンサに戻る。低周波電流（オーディオ信号電流など）は主に大きなバイパス・コンデンサを流れることがあり、低周波電流はすべてのバイパス・コンデンサの存在を「無視」して、リード線114に直接戻ることがあります。どの経路が最も重要かは、特定のアプリケーションによって決定される。幸いなことに、出力側に共通の接地ポイントと接地バイパス・コンデンサを使用することで、すべての接地電流経路を簡単に保護することができます。

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.

以上、高周波プリント基板設計における高調波ひずみ低減の黄金律をご紹介しました。IPCBも提供されているPCBメーカーとPCB製造技術。