通過(guò)遵循一些在PCB布局中放置去耦電容器的準(zhǔn)則，了解如何減少二次諧波失真。

在上一篇文章中，我們討論了需要對(duì)稱的PCB布局以減少二次諧波失真。

在本文中，我們將看到，如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)娜ヱ?，我們將無(wú)法從高速運(yùn)算放大器中獲得最大的線性度性能。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。

電容器去耦差會(huì)增加失真

PCB的電源和接地導(dǎo)體確實(shí)表現(xiàn)出一定的電感。如果我們嘗試直接通過(guò)電源和接地導(dǎo)體提供設(shè)備的高頻電流，則該電感會(huì)引起問(wèn)題。

回想一下，電感兩端出現(xiàn)的電壓降與電流變化率成正比。因此，在較高的頻率下，電源導(dǎo)體和接地導(dǎo)體之間會(huì)出現(xiàn)相對(duì)較大的壓降，我們將無(wú)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)，因此線性性能將大大降低。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們將去耦電容放置在運(yùn)算放大器電源引腳附近。去耦電容器充當(dāng)電荷源，可提供高頻電流并顯著降低電源電壓的變化。下圖顯示了驅(qū)動(dòng)100Ω負(fù)載的AD9631運(yùn)算放大器輸出的頻率成分。

圖1.適當(dāng)去耦（左）和未去耦（右）的AD9631運(yùn)算放大器的頻譜輸出。

如您所見(jiàn)，通過(guò)適當(dāng)?shù)娜ヱ睿梢源蟠鬁p少失真分量。

使電容器的接地端子遠(yuǎn)離運(yùn)算放大器輸入

PCB布局是優(yōu)化高速板失真性能的關(guān)鍵因素?？紤]以下所示的布局示例，該示例用于采用SOIC封裝的運(yùn)算放大器的同相放大級(jí)。

在這些示例中，所有組件都放置在電路板的頂側(cè)，而僅正電源軌的旁路電容器（C旁路1）在底側(cè)。我們假設(shè)電路板具有專用的接地層，并且以綠色圓圈表示的過(guò)孔將走線或焊盤(pán)連接到該接地層。

圖2.兩個(gè)電路圖，其中負(fù)電源的旁路電容器的位置不同。

如您所見(jiàn)，這兩個(gè)布局完全相同，除了負(fù)軌的旁路電容器（Cpass2）的位置。雖然左側(cè)的布局將Cpasspass2的接地端放置在靠近運(yùn)算放大器輸入的位置，但右側(cè)的布局嘗試使此端子靠近負(fù)載并遠(yuǎn)離運(yùn)算放大器的輸入。

圖2（b）中的布局可以實(shí)現(xiàn)更好的失真性能。

注意返回電流路徑

為了理解為什么圖2（b）中的布局表現(xiàn)出較低的失真，請(qǐng)考慮當(dāng)施加到負(fù)載的信號(hào)具有負(fù)極性時(shí)，即Cbypass2提供負(fù)載電流時(shí)，流過(guò)接地層的返回電流。

當(dāng)輸出信號(hào)極性為負(fù)時(shí)，從負(fù)載汲取的電流流經(jīng)頂層走線和運(yùn)算放大器電路，如圖3中的藍(lán)色箭頭所示。

圖3.與圖2相同的圖，但是用藍(lán)色箭頭顯示電流。

我們知道，高頻回流電流直接在信號(hào)走線下方流動(dòng)，以最大程度地減小環(huán)路面積。因此，圖3（a）中布局的返回電流應(yīng)遵循類似于紅線所示的路徑。

但是，必須注意的是，盡管大多數(shù)返回電流都直接在信號(hào)走線的下方流動(dòng)，但它仍然可以在接地面上稍微散開(kāi)，如圖4所示。

圖4.高頻返回電流的分布。

因此，采用圖3（a）的布局，返回電流會(huì)擾動(dòng)運(yùn)算放大器輸入端的電壓。耦合至運(yùn)算放大器輸入的誤差信號(hào)將取決于信號(hào)，因此將導(dǎo)致運(yùn)算放大器輸出失真。由于與信號(hào)有關(guān)的誤差電壓僅在輸出電壓的一種極性（負(fù)極性）期間出現(xiàn)，因此它將主要增加二次諧波失真。

在圖3（b）的接地平面上，返回電流將選擇哪種路徑？

同樣，信號(hào)走線正下方的路徑（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，旁路蓋的接地側(cè)非?？拷?fù)載的接地端子。因此，與最小電感的路徑相比，圖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，返回電流將選擇阻抗最小的路徑（應(yīng)同時(shí)考慮路徑電感和電阻）。

為了確定返回電流的確切分布，我們需要仿真工具。但是，我們可以推斷出一部分返回電流將流向紅色箭頭，而相對(duì)較小的電流將流向藍(lán)色箭頭。在信號(hào)走線下方流過(guò)相對(duì)較小的電流的情況下，我們可以期望在電路的敏感節(jié)點(diǎn)下方（運(yùn)放輸入周圍）有一個(gè)“更安靜”的接地。

使旁路電容的接地端遠(yuǎn)離運(yùn)算放大器輸入是一種減少諧波失真的有效技術(shù)，并且在不同芯片制造商的不同技術(shù)文檔中通常建議使用該技術(shù)。

如果負(fù)載遠(yuǎn)離運(yùn)算放大器輸出怎么辦？

讓我們?cè)倏匆粋€(gè)示例，其中負(fù)載位于距運(yùn)算放大器輸出一定距離的位置，如圖5所示。

圖5.我們的示例運(yùn)算放大器電路，但負(fù)載距離運(yùn)算放大器輸出較遠(yuǎn)。

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

返回電流的很大一部分應(yīng)遵循上面討論的低電阻路徑，導(dǎo)致返回電流路徑由下圖中的紅線表示。

需要適當(dāng)?shù)娜ヱ?，才能從高速運(yùn)算放大器中獲得最大的線性度性能。此外，旁路電容器的接地端應(yīng)放置在靠近運(yùn)算放大器的位置，并遠(yuǎn)離其輸入，以便我們?cè)陔娐返拿舾泄?jié)點(diǎn)下方（運(yùn)算放大器輸入附近）可以有一個(gè)“更安靜”的接地。
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