電路設計 - 减少諧波失真的PCB設計方法

以下是對 PCB設計 减少諧波失真的方法

諧波失真（THD）是指原始頻率的各種倍數的有害干擾。 當放大1kHZ的頻率訊號時，會產生2kHZ和3kHZ的二次諧波以及許多高次諧波。 理論上，值越小，失真越低。 由於放大器不够理想，除了放大的輸入分量外，輸出信號還新增了2倍、3倍、4倍。。。 甚至原始訊號的更高頻率成分（諧波），導致輸出波形變形。 這種由諧波引起的失真稱為諧波失真。

事實上，印刷電路板（PCB）是由電力線性資料製成的，即其阻抗應恒定。 那麼，為什麼PCB會在訊號中引入非線性呢？ 答案是：相對於電流流動的地方，PCB設計佈局是“空間非線性的”。

Whe這個r the amplifier draws current from this power supply or another power supply depends on the instantaneo我們 polarity of the signal applied to the load. 電流從電源流出, 通過旁路電容器, 並通過放大器輸入負載. 然後, the current returns from the load ground (or the shield of the PCB輸出 connector) to the ground plane, 通過旁路電容器, 並返回到最初提供電流的電源.

電流流過阻抗最小路徑的概念是不正確的。 所有不同阻抗路徑中的電流量與其電導率成正比。 在接地層中，通常有多條低阻抗路徑，其中很大一部分接地電流流過：一條路徑直接連接到旁路電容器； 另一種是在到達旁路電容器之前刺激輸入電阻。 接地回路電流是問題的真正原因。

當旁路電容器放置在PCB上的不同位置時，接地電流通過不同的路徑流向相應的旁路電容器，這就是“空間非線性”的含義。 如果某極性接地電流的很大一部分分量流過輸入電路的接地，則只有該極性訊號的分量電壓會受到干擾。 如果接地電流的另一極性不受干擾，則輸入信號電壓以非線性管道變化。 當一個極性分量改變而另一個極性未改變時，將發生失真，並將出現輸出信號的二次諧波失真。 圖2以誇張的形式顯示了這種失真效果。

當正弦波只有一個極性分量受到干擾時，產生的波形不再是正弦波。 使用100Ω負載類比理想放大器，負載電流通過1Ω電阻器，輸入接地電壓僅耦合到訊號的一個極性。 失真波形幾乎是-68dBc下的所有二次諧波。 當頻率較高時，很容易在PCB上產生這種程度的耦合。 它可以破壞放大器的優良抗失真特性，而不需要借助PCB的太多特殊非線性效應。 當單個運算放大器的輸出因接地電流路徑而失真時，可以通過重新佈置旁路回路並保持與輸入裝置的距離來調整接地電流。

多放大器晶片

多放大器晶片（兩個、3個或四個放大器）的問題更為複雜，因為它無法使旁路電容器的接地連接遠離所有輸入端子。 這對於四路放大器尤其如此。 四個放大器晶片的每一側都有一個輸入端子，囙此沒有空間用於旁路電路，以减少對輸入通道的干擾。

大多數設備直接連接到四個放大器引脚。 一個電源的接地電流會干擾另一個通道電源的輸入接地電壓和接地電流，導致失真。 例如，四通道放大器通道1上的（+Vs）旁路電容器可以直接放置在其輸入附近； 並且（-Vs）旁路電容器可以放置在封裝的另一側。 （+Vs）接地電流可能會干擾通道1，而（-Vs）接地電流可能不會。

為了避免這個問題，可以允許接地電流干擾輸入，但PCB電流可以以空間線性管道流動。 為了實現這一點，您可以使用以下方法在PCB上佈局旁路電容器：使（+Vs）和（–Vs）接地電流流過相同的路徑。 如果正/負電流對輸入信號的干擾相等，則不會出現失真。 囙此，兩個旁路電容器彼此相鄰佈置，以便它們共亯一個接地點。 由於接地電流的兩個極性分量來自同一點（輸出連接器遮罩或負載接地），並且都返回到同一點（旁路電容器的公共接地連接），囙此正極和負極電流流過同一路徑。 如果通道的輸入電阻受到（+Vs）電流的干擾，（Vs）電流對其具有相同的影響。 因為無論極性是什麼，擾動都是相同的，囙此不會出現失真，但通道增益會發生微小變化。

為了驗證上述推論，使用了兩種不同的PCB設計佈局：簡單佈局和低失真佈局。 使用Fairchild的FHP3450四路運算放大器，FHP3450的典型頻寬為210MHz，斜率為1100V/us，輸入偏置電流為100nA，每個通道的工作電流為3.6mA。 通道失真越嚴重，改善效果越好，囙此4個通道的效能幾乎相等。

如果PCB上沒有理想的四通道放大器，則很難量測單個放大器通道的效果。 顯然，給定的放大器通道不僅會干擾其自身的輸入，還會干擾其他通道的輸入。 接地電流流經所有不同的通道輸入並產生不同的效果，但它們都受到每個輸出的影響。 這種影響是可以衡量的。

當只有一個通道被驅動時，在其他未驅動通道上量測的諧波。 未驅動通道在基頻處顯示小訊號（串擾），但沒有任何重要的基頻訊號，也會產生由接地電流直接引入的失真。 低失真佈局顯示：由於幾乎消除了接地電流效應，二次諧波和總諧波失真（THD）特性得到了極大改善。

本文摘要

簡單地說，在PCB上，接地回路電流流過不同的旁路電容器（用於不同的電源）和電源本身，其大小與其電導率成正比。 高頻訊號電流流回小旁路電容器。 低頻電流（例如音訊訊號電流）可能主要流經較大的旁路電容器。 即使是低頻電流也可能“忽略”所有旁路電容器的存在，並直接流回電源線。 具體應用程序將確定哪條電流路徑是最關鍵的。 幸運的是，通過在輸出側使用公共接地點和接地旁路電容器，可以輕鬆保護所有接地電流路徑。

The golden rule of 高頻PCB design 佈局是將高頻旁路電容器放置在盡可能靠近封裝電源引脚的位置. 修改該規則以改善失真特性不會帶來太大變化. 失真特性的改善是以新增約0為代價的.15英寸高頻旁路電容器軌跡, 但這對FHP3450的交流響應效能幾乎沒有影響. PCB設計 佈局對於充分發揮高品質放大器的效能非常重要, 這裡討論的問題絕不限於高頻放大器. 音訊等低頻訊號對失真有更嚴格的要求. 低頻時接地電流效應較小, 但是如果需要相應地提高所需的失真指數, 接地電流可能仍然是一個重要問題.