PCB技術 - PCB基板設計における高調波歪みを減らすことを学ぶ

PCB基板は電気的に線形な材料でできている, それで, そのインピーダンスは一定でなければならない.だから,なぜPCBは信号に非線形性を導入するのか?

答えは、PCBレイアウトが電流がどこに流れるかに関して「空間的に非線形」であるという事実にあります。

この電源または別の電源から増幅器が電流を引くかどうかは、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る, バイパスコンデンサ, そして、増幅器を通してロードに入る. Then, 電流は、負荷接地端子またはそのシールドから戻る PCB出力コネクタ地面に, バイパスコンデンサ, そして、元々は電流を供給した電源に戻る.

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PCB上の異なる位置に配置されるとき、接地電流は異なる経路を通ってそれぞれのバイパスコンデンサに流れる。接地電流のある極性の成分の大部分が入力回路のグラウンドを流れると、この極性の成分電圧のみが乱れてしまう。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。一方の極性成分が変化し、他方の極性が変化しない場合には、歪みが生じ、出力信号の第2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す。

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、基板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。1つの演算増幅器の出力が接地電流経路によって歪んだ場合、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

マルチキャパシタチップ（2，3，4増幅器）の問題は，バイパスコンデンサの接地接続をすべての入力から遠ざけることができないため，より複雑である。これは、クワッド増幅器に特に当てはまる。4つの増幅器チップの両側は入力端子を有しているので、入力チャネルへの外乱を低減することができるバイパス回路のためのスペースがない。

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。

この問題を避ける, 接地電流に入力を妨げる, でも、基板PCB電流空間的に直線的な流れ. これを達成するために, バイパスキャパシタをPCB上にレイアウトするには、（＋Vs）と（226 Vs）接地電流を同じ経路に流す方法があります。正の妨害ならば/入力信号への負電流は等しい, 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、正と負の電流は、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、チャネルの利得の小さな変化が生じる。

PCB基板上で理想的なクワッド増幅器を用いることなく、単一の増幅器チャネルの効果を測定することは困難である。明らかに、与えられた増幅器チャネルは、それ自身の入力だけでなく、他のチャンネルの入力も妨げる。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。この効果は測定可能である。

表2は、一方のチャネルのみを駆動した場合の他の非駆動チャネル上で測定された高調波を示す。非駆動チャネルは、基本周波数では小さな信号（漏話）を示しているが、重要な基本信号なしでは、接地電流によって直接導入された歪みも生じる。図6の低歪みレイアウトは、接地電流効果がほとんど除去されるので、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ることを示す。

簡単に言えば、PCBにおいて、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）および電源そのものを通って流れ、そのサイズはその導電性に比例する。高周波信号電流は、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通って流れる。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」し、電源リードに直接戻ることができる。特定のアプリケーションは、どの電流パスが最も重要かを決定します。幸いにも、出力側に共通接地点と接地バイパスキャパシタを用いることにより、全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 高周波バイパスコンデンサをパッケージの電源ピンにできるだけ近接させることである. 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 高品質増幅器の性能に完全なプレーを与えることは非常に重要です, 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.