PCB設(shè)計(jì)中如何減少諧波失真

實(shí)際上印刷線路板(PCB)是由電氣線性材料構(gòu)成的，也即其阻抗應(yīng)是恒定的。那么，PCB為什么會(huì)將非線性引入信號(hào)內(nèi)呢？答案在于：相對(duì)于電流流過(guò)的地方來(lái)說(shuō)，PCB布局是“空間非線性”的。

放大器是從這個(gè)電源還是從另外一個(gè)電源獲取電流，取決于加負(fù)載上的信號(hào)瞬間極性。電流從電源流出，經(jīng)過(guò)旁路電容，通過(guò)放大器進(jìn)入負(fù)載。然后，電流從負(fù)載接地端(或PCB輸出連接器的屏蔽)回到地平面，經(jīng)過(guò)旁路電容，回到最初提供該電流的電源。

電流流過(guò)阻抗最小路徑的概念是不正確的。電流在全部不同阻抗路徑的多少與其電導(dǎo)率成比例。在一個(gè)地平面，常常有不止一個(gè)大比例地電流流經(jīng)的低阻抗路徑：一個(gè)路徑直接連至旁路電容；另一個(gè)在達(dá)到旁路電容前，對(duì)輸入電阻形成激勵(lì)。圖1示意了這兩個(gè)路徑。地回流電流才是真正引發(fā)問(wèn)題的原因。

當(dāng)旁路電容放在PCB的不同位置時(shí)，地電流通過(guò)不同路徑流至各自的旁路電容，即“空間非線性”所代表的含義。若地電流某一極性的分量的很大部分流過(guò)輸入電路的地，則只擾動(dòng)信號(hào)的這一極性的分量電壓。而若地電流的另一極性并沒(méi)施擾，則輸入信號(hào)電壓以一種非線性方式發(fā)生變化。當(dāng)一個(gè)極性分量發(fā)生改變而另一個(gè)極性沒(méi)改動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生失真，并表現(xiàn)為輸出信號(hào)的二次諧波失真。圖2以夸張的形式顯示這種失真效果。

當(dāng)只有正弦波的一個(gè)極性分量受到擾動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的波形就不再是正弦波。用一個(gè)100Ω負(fù)載模擬理想放大器，使負(fù)載電流通過(guò)一個(gè)1Ω電阻，僅在信號(hào)的一個(gè)極性上耦合輸入地電壓，則得到圖3所示的結(jié)果。傅立葉變換顯示，失真波形幾乎全是-68dBc處的二次諧波。當(dāng)頻率很高時(shí)，很容易在PCB上生成這種程度的耦合，它無(wú)需借助太多PCB特殊的非線性效應(yīng)，就可毀掉放大器優(yōu)異的防失真特性。當(dāng)單個(gè)運(yùn)算放大器的輸出由于地電流路徑而失真時(shí)，通過(guò)重新安排旁路回路可調(diào)節(jié)地電流流動(dòng)，并保持與輸入器件的距離，如圖4所示。

多放大器芯片

多放大器芯片(兩個(gè)、三個(gè)或者四個(gè)放大器)的問(wèn)題更加復(fù)雜，因?yàn)樗鼰o(wú)法使旁路電容的地連接遠(yuǎn)離全部輸入端。對(duì)四放大器來(lái)說(shuō)更是如此。四放大器芯片的每一邊都有輸入端，所以沒(méi)有空間放置可減輕對(duì)輸入通道擾動(dòng)的旁路電路。

圖5給出了四放大器布局的簡(jiǎn)單方法。大多器件直接連至四放大器管腳。一個(gè)電源的地電流可擾動(dòng)另一個(gè)通道電源的輸入地電壓和地電流，從而導(dǎo)致失真。例如，四放大器通道1上的(+Vs)旁路電容可直接放在臨近其輸入的地方；而(-Vs)旁路電容可放在封裝的另一側(cè)。(+Vs)地電流可擾動(dòng)通道1，而(-Vs)地電流則可能不會(huì)。