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如何减少PCB设计中的谐波失真

发布时间:2019-05-31 10:46 来源:未知 编辑:admin

  实际上印刷线路板(PCB)是由电气线性材料构成的,也即其阻抗应是恒定的。那么,PCB为什么会将非线性引入信号内呢?答案在于:相对于电流流过的地方来说,PCB布局是“空间非线性”的。

  放大器是从这个电源还是从另外一个电源获取电流,取决于加负载上的信号瞬间极性。电流从电源流出,经过旁路电容,通过放大器进入负载。然后,电流从负载接地端(或PCB输出连接器的屏蔽)回到地平面,经过旁路电容,回到最初提供该电流的电源。

  电流流过阻抗最小路径的概念是不正确的。电流在全部不同阻抗路径的多少与其电导率成比例。在一个地平面,常常有不止一个大比例地电流流经的低阻抗路径:一个路径直接连至旁路电容;另一个在达到旁路电容前,对输入电阻形成激励。图1示意了这两个路径。地回流电流才是真正引发问题的原因。

  当旁路电容放在PCB的不同位置时,地电流通过不同路径流至各自的旁路电容,即“空间非线性”所代表的含义。若地电流某一极性的分量的很大部分流过输入电路的地,则只扰动信号的这一极性的分量电压。而若地电流的另一极性并没施扰,则输入信号电压以一种非线性方式发生变化。当一个极性分量发生改变而另一个极性没改动时,就会产生失真,并表现为输出信号的二次谐波失真。

  当只有正弦波的一个极性分量受到扰动时,产生的波形就不再是正弦波。用一个100负载模拟理想放大器,使负载电流通过一个1电阻,仅在信号的一个极性上耦合输入地电压,则得到图3所示的结果。傅立叶变换显示,失线dBc处的二次谐波。当频率很高时,很容易在PCB上生成这种程度的耦合,它无需借助太多PCB特殊的非线性效应,就可毁掉放大器优异的防失真特性。当单个运算放大器的输出由于地电流路径而失真时,通过重新安排旁路回路可调节地电流流动,并保持与输入器件的距离。

  多放大器芯片(两个、三个或者四个放大器)的问题更加复杂,因为它无法使旁路电容的地连接远离全部输入端。对四放大器来说更是如此。四放大器芯片的每一边都有输入端,所以没有空间放置可减轻对输入通道扰动的旁路电路。

  为避免这种问题,可让地电流扰动输入,但让PCB电流以一种空间线性方式流动。为实现此目的,可以采用下方式在PCB上布局旁路电容:使(+Vs)和(Vs)地电流流经同一路径。若正/负电流对输入信号的扰动相等,则将不会产生失真。因此,使两个旁路电容紧挨着排列,以使它们共享一个接地点。因为地电流的两个极性分量来自同一个点(输出连接器屏蔽或负载地),并都回流至同一个点(旁路电容的公共地连接),所以正/负电流都流经同一路径。若一个通道的输入电阻被(+Vs)电流扰动,则(Vs)电流对其有相同影响。因为无论极性是怎样的,产生的扰动都相同,所以不会产生失真,但将使该通道增益发生小的变化。

  简单地说,在PCB上,地回流电流流经不同的旁路电容(用于不同的电源)及电源本身,其大小与其电导率成比例。高频信号电流流回小旁路电容。低频电流(如音频信号的电流)可能主要流经更大的旁路电容。即使频率更低的电流也可能“漠视”全部旁路电容的存在,直接流回电源引线。具体的应用将决定哪个电流路径最关键。幸运的是,通过采用公共接地点及输出侧的地旁路电容,可以容易地保护全部地电流路径。

  高频PCB布局的金科玉律是将高频旁路电容尽可能靠近封装的电源管脚,但比较图5和图6可以看出,为改进失真特性而修改该规则不会带来太大改变。改进失线英寸长的高频旁路电容走线为代价的,但这对FHP3450的AC响应性能影响很小。PCB布局对充分发挥一款高质量放大器的性能很重要,这里讨论的问题绝非仅限于高频放大器。类似音频等频率更低的信号对失真的要求要严格得多。地电流效应在低频下要小一些,但若要求相应改进所需的失真指标,地电流仍可能是一个重要的问题。

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