「技術(shù)文章」如何利用去耦電容器配置來降低諧波失真

在上一篇文章中，我們討論了為了減少二次諧波失真，需要對(duì)稱的PCB布局 .

在本文中，我們將看到，如果沒有適當(dāng)?shù)慕怦睿覀兙蜔o法從高速運(yùn)算放大器中提取最大的線性性能。此外，我們將討論簡(jiǎn)單地重新布置去耦電容器會(huì)影響高速放大級(jí)的失真性能。

印刷電路板的電源和接地導(dǎo)體確實(shí)表現(xiàn)出一些電感。如果我們?cè)噲D通過電源和接地導(dǎo)體直接提供設(shè)備的高頻電流，這種電感會(huì)引起問題。

回想一下，電感器上出現(xiàn)的電壓降與電流的變化率成正比。因此，在更高的頻率下，電源和接地導(dǎo)體之間會(huì)出現(xiàn)相對(duì)較大的電壓降，我們將無法向IC提供恒定的電源電壓。

使用高速運(yùn)算放大器時(shí)，電源電壓的變化將取決于信號(hào)，因此，線性性能將顯著降低。

為了解決這個(gè)問題，我們把去耦電容器放在運(yùn)算放大器電源引腳附近。去耦電容器作為電荷源，提供高頻電流，顯著降低電源電壓的變化。下圖顯示驅(qū)動(dòng)100Ω負(fù)載的AD9631運(yùn)算放大器輸出端的頻率含量。

如您所見，通過適當(dāng)?shù)慕怦?，失真分量將顯著減少。

PCB版圖是優(yōu)化高速電路板畸變性能的關(guān)鍵因素?？紤]下面所示的在SOIC封裝中使用運(yùn)算放大器的非反轉(zhuǎn)放大級(jí)的布局示例。

在這些例子中，所有元件都放置在電路板的頂部，只有正極軌道（C）的旁路電容器旁路1)在底部。我們假設(shè)有一個(gè)綠色的地板，或者說是一個(gè)接地的平面。

圖2負(fù)軌旁路電容器位置不同的兩個(gè)電路圖。

正如你所看到的，這兩種布局完全相同，除了放置負(fù)軌的旁路電容器（C旁路2). 而左邊的布局是C的底邊旁路2靠近運(yùn)算放大器輸入端，右側(cè)的布局試圖使該端子靠近負(fù)載，遠(yuǎn)離運(yùn)算放大器輸入端。

圖2（b）中的布局可以獲得更好的失真性能。

為了理解為什么圖2（b）中的布局顯示較低的失真，考慮當(dāng)施加到負(fù)載的信號(hào)具有負(fù)極性（即C）時(shí)流過接地層的回流電流旁路2正在提供負(fù)載電流

當(dāng)輸出信號(hào)的極性為負(fù)時(shí)，從負(fù)載引出的電流流過頂層跟蹤和運(yùn)算放大器電路，如圖3中藍(lán)色箭頭所示。

圖3與圖2中的圖相同，但用藍(lán)色箭頭顯示當(dāng)前流。

我們知道高頻回流電流直接在信號(hào)軌跡下方流動(dòng)使循環(huán)面積最小化。因此，圖3（a）中布局的返回電流應(yīng)該遵循與紅線所示類似的路徑。

然而，需要注意的是，盡管大部分回流電流直接在信號(hào)軌跡下方流動(dòng)，但它仍然可以在地平面上略微擴(kuò)散，如圖4所示。

圖4高頻回流分布。圖片由Segera Davies .

因此，在圖3（a）中的布局中，回流電流會(huì)干擾運(yùn)算放大器輸入端的電壓。耦合到運(yùn)算放大器輸入端的錯(cuò)誤信號(hào)將與信號(hào)相關(guān)，因此，將在運(yùn)算放大器輸出端造成失真。由于信號(hào)相關(guān)的誤差電壓只出現(xiàn)在輸出電壓的一個(gè)極性（負(fù)極性）時(shí)，它將主要增加二次諧波失真。

在圖3（b）中，返回電流將在接地層上選擇什么路徑？

同樣，信號(hào)軌跡正下方的路徑（藍(lán)色箭頭下方）將提供盡可能低的電感。但是，在這種情況下，旁通蓋的接地側(cè)非常接近負(fù)載的接地端子。因此，與電感最小的路徑相比，3（a）中紅色箭頭所示的路徑可以提供非常小的電阻。實(shí)際上，回流電流會(huì)選擇阻抗最小的路徑（路徑電感和電阻都要考慮）。

為了確定返回電流的精確分布，我們需要模擬工具；然而，我們可以推斷出一部分回流電流將圍繞紅色箭頭流動(dòng)，而相對(duì)較小的電流將在藍(lán)色箭頭下方流動(dòng)。由于在信號(hào)軌跡下流動(dòng)的電流相對(duì)較小，我們可以期望在電路的敏感節(jié)點(diǎn)（運(yùn)算放大器輸入端周圍）下方有一個(gè)“更安靜”的接地。

保持旁路蓋的接地端遠(yuǎn)離運(yùn)算放大器輸入端是減少諧波失真的一種有效技術(shù)，通常在不同芯片制造商的不同技術(shù)文件中推薦使用。

讓我們?cè)倏匆粋€(gè)例子，其中負(fù)載位于離運(yùn)算放大器輸出一定距離的地方，如圖5所示。

圖5我們的例子運(yùn)算放大器電路，但負(fù)載遠(yuǎn)離運(yùn)算放大器輸出。

同樣，我們應(yīng)該保持旁路電容器的接地端遠(yuǎn)離運(yùn)算放大器的輸入端。電容器應(yīng)放置在靠近運(yùn)算放大器電源引腳的地方，其接地端子靠近運(yùn)算放大器輸出端。

相當(dāng)大一部分回流應(yīng)遵循上述低電阻路徑，導(dǎo)致下圖中紅線所示的回流路徑。

為了從高速運(yùn)算放大器中提取最大的線性性能，需要適當(dāng)?shù)慕怦?。此外，旁路電容器的接地?cè)應(yīng)靠近運(yùn)算放大器輸出端，遠(yuǎn)離其輸入端，以便在電路的敏感節(jié)點(diǎn)下（在運(yùn)算放大器輸入端周圍）有一個(gè)“更安靜”的接地。