PCB新聞 - 高頻PCB設計中减少諧波失真的黃金法則

事實上, 這個 印刷電路板(印刷電路板) is made of electrical linear 材料, 那就是, 其阻抗應恒定. 所以, 為什麼 印刷電路板 在訊號中引入非線性? 答案在於 印刷電路板 相對於電流流動的位置，佈局是“空間非線性”的.

放大器是從這個電源還是從另一個電源吸取電流取決於施加到負載的訊號的暫態極性。 電流從電源流出，通過旁路電容器，並通過放大器進入負載。 然後，電流從負載接地（或印刷電路板輸出連接器的遮罩）返回接地層，通過旁路電容器，並返回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。 圖1說明了這兩條路徑。 接地回路電流是問題的真正原因。

當旁路電容器放置在 印刷電路板板, 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大部分分量流過輸入電路的接地, 只有訊號極性的分量電壓會受到干擾. 如果接地電流的另一極性未受到干擾, 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, 將發生畸變, 它將表現為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，得到圖3所示的結果。 傅立葉轉換表明，在-68dBc時，畸變波形幾乎都是二次諧波。 當頻率較高時，很容易在印刷電路板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，而不需要借助印刷電路板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，可以通過重新排列旁路回路並保持與輸入裝置的距離來調整接地電流，如圖4所示。

Multi-amplifier chip
The problem of multi-amplifier chips (two, three or four amplifiers) is more complicated beca我們e it cannot keep the ground connections of the bypass capacitors far away from all inputs. 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，沒有空間可用於旁路電路，以减少對輸入通道的干擾.

圖5顯示了四個放大器佈局的簡單方法。 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，讓接地電流干擾輸入，但讓印刷電路板電流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印刷電路板上佈局旁路電容器：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都流經同一路徑。 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，如圖6所示。

為了驗證上述推斷，使用了兩種不同的印刷電路板佈局：簡單佈局（圖5）和低失真佈局（圖6）。 Fairchild的FHP3450四路運算放大器產生的失真如錶1所示。 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。 從錶1可以看出，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。

在沒有理想的四路放大器的情况下 印刷電路板, 很難量測單個放大器通道的影響. 明顯地, 給定的放大器通道不僅干擾其自身的輸入, 還有其他通路的輸入. 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.
錶2顯示了僅驅動一個通道時，在其他未驅動通道上測得的諧波. The undriven channel shows a small signal (crosstalk) at the fundamental frequency, 但沒有任何重要的基本訊號, 它還產生由接地電流直接引入的失真. 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, 上 印刷電路板, the ground return current flows through different bypass capacitors (for different power supplies) and the power supply itself, 它的大小與電導率成正比. 高頻訊號電流流回小旁路電容器. Low-frequency currents (such as audio signal currents) may mainly flow through larger bypass capacitors. 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. 幸運地, by using a common ground point and a ground bypass capacitor on the output side, 所有接地電流路徑都可以輕鬆保護.
高頻黃金法則 印刷電路板 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. 然而, 比較圖5和圖6, it can be seen that modifying this rule to improve the distortion characteristics will not bring much change. 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. 印刷電路板 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.

The above is an introduction to the golden rule of reducing harmonic distortion in 高頻印刷電路板設計. Ipcb也提供給 印刷電路板製造商 and 印刷電路板 製造技術.