减少谐波失真的PCB设计方法

2008-04-25 14:53:42来源: 电子系统设计

  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。

减少谐波失真的PCB设计

  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。图2以夸张的形式显示这种失真效果。

减少谐波失真的PCB设计

  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 Ω负载模拟理想放大器,使负载电流通过一个1 Ω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,失真波形几乎全是-68dBc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,如图4所示。

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  放大器芯片

  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。

  图5给出了四放大器布局的简单方法。大多器件直接连至四放大器管脚。一个电源的地电流可扰动另一个通道电源的输入地电压和地电流,从而导致失真。例如,四放大器通道1上的(+Vs)旁路电容可直接放在临近其输入的地方;而(-Vs)旁路电容可放在封装的另一侧。(+Vs)地电流可扰动通道1,而(-Vs)地电流则可能不会。

减少谐波失真的PCB设计

  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,如图6所示。

  为验证如上推断,采用两个不同的PCB布局:简易布局(图5)和低失真布局(图6)。采用飞兆半导体的FHP3450四运算放大器所产生的失真如表1所示,FHP3450的典型带宽是210MHz,斜率是1100V/us,输入偏置电流是100nA,每通道的工作电流是3.6mA。从表1可看出,失真越严重的通道,改进的效果越好,从而使4个通道在性能上接近相等。

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  若在PCB上没有一个理想的四放大器,则测量单一放大器通道的效应会很困难。显然,一个给定的放大器通道不仅扰动其本身输入,还会扰动其它通道的输入。地电流流经全部不同的通道输入,且产生不同效果,但又都受每个输出的影响,这种影响是可测量的。

  表2给出了当只驱动一个通道时,在其它未受驱动的通道上测量到的谐波。未驱动通道在基本频率上显示出一个小信号(串扰),但在没有任何显著基本信号的情况下,也产生由地电流直接引入的失真。图6的低失真布局显示:因为几乎消除了地电流效应,二次谐波和总体谐波失真(THD)特性有很大改进。

减少谐波失真的PCB设计

  本文小结

  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。改进失真特性是以增加约0.15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。

关键字:旁路电容  地电流  PCB设计  放大器  谐波失真  输入偏置电流  输入电路  Vs  

编辑:ssb 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2008/0425/article_846.html
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