如何使用去耦電容放置來減少諧波失真

如何使用去耦電容放置來減少諧波失真

不良的電容器去耦會增加失真

PCB 的電源和接地導(dǎo)體確實存在一些電感。如果我們試圖直接通過電源和接地導(dǎo)體提供設(shè)備的高頻電流，這種電感可能會導(dǎo)致問題。

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，在更高的頻率下，電源和接地導(dǎo)體上會出現(xiàn)相對較大的電壓降，我們將無法為 IC 提供恒定的電源電壓。

對于高速運算放大器，電源電壓的變化將取決于信號，因此線性性能將顯著降低。

為了解決這個問題，我們將去耦電容器放置在靠近運算放大器電源引腳的位置。作為電荷源，去耦電容器提供高頻電流并顯著減少電源電壓的變化。下圖顯示了驅(qū)動 100Ω 負(fù)載的 AD9631 運算放大器輸出端的頻率內(nèi)容。

圖 1.具有適當(dāng)去耦（左）和無去耦（右）的 AD9631 運算放大器的頻譜輸出

如你所見，通過適當(dāng)?shù)娜ヱ?，失真分量會大大減少。

使電容接地端子遠(yuǎn)離運算放大器輸入

PCB布局是優(yōu)化高速板失真性能的關(guān)鍵因素。考慮下面所示的布局示例，了解在 SOIC 封裝中使用運算放大器的非反相放大級。

在這些示例中，所有組件都放置在電路板的頂部，只有正軌 (C bypass1 ) 的旁路電容器位于底部。我們假設(shè)電路板有專用接地層，綠色圓圈表示的過孔將跡線或焊盤連接到該接地層。

圖 2. 負(fù)軌旁路電容器位置不同的兩個電路圖

如你所見，除了負(fù)軌 (C bypass2 ) 的旁路電容器的放置之外，這兩種布局完全相同。左側(cè)的布局將 C旁路 2的接地側(cè)靠近運算放大器輸入，而右側(cè)的布局試圖使該端子靠近負(fù)載并遠(yuǎn)離運算放大器輸入。

圖 2(b) 中的布局可以實現(xiàn)更好的失真性能。

仔細(xì)注意返回電流路徑

要理解為什么圖 2(b) 中的布局表現(xiàn)出較低的失真，請考慮當(dāng)施加到負(fù)載的信號具有負(fù)極性時流經(jīng)接地層的返回電流，即，C bypass2正在提供負(fù)載電流。

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

圖 3. 與圖 2 相同的圖表，但用藍(lán)色箭頭顯示電流

我們知道，高頻返回電流直接在信號走線下方流動，以最大限度地減少環(huán)路面積。因此，圖 3(a) 中布局的返回電流應(yīng)該遵循類似于紅線所示的路徑。

然而，值得注意的是，雖然大部分返回電流直接流過信號走線下方，但它仍然可以在接地平面上稍微擴(kuò)散，如圖 4 所示。

圖 4.高頻返回電流的分布

因此，對于圖 3(a) 中的布局，返回電流會擾亂運算放大器輸入端的電壓。耦合到運算放大器輸入的誤差信號將與信號相關(guān)，因此會導(dǎo)致運算放大器輸出失真。由于與信號相關(guān)的誤差電壓僅出現(xiàn)在輸出電壓的一種極性（負(fù)極性）期間，因此它主要會增加二次諧波失真。

在圖 3(b) 中，返回電流在地平面上會選擇什么路徑？

同樣，信號跡線正下方的路徑（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，旁路電容的接地端非?？拷?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。事實上，返回電流會選擇阻抗最小的路徑（路徑電感和電阻都應(yīng)考慮）。

為了確定返回電流的準(zhǔn)確分布，我們需要模擬工具；然而，我們可以推斷出一部分返回電流將流過紅色箭頭周圍，而相對較小的電流將流過藍(lán)色箭頭下方。由于在信號走線下方流動的電流相對較小，我們可以預(yù)期在電路的敏感節(jié)點下方（運算放大器輸入周圍）有一個“更安靜”的接地。

使旁路電容的接地端遠(yuǎn)離運算放大器輸入端是減少諧波失真的有效技術(shù)，不同芯片制造商的不同技術(shù)文件中通常推薦這樣做。

如果負(fù)載遠(yuǎn)離運算放大器輸出怎么辦？

讓我們再看一個示例，其中負(fù)載位于距運算放大器輸出一定距離的位置，如圖 5 所示。

圖 5. 我們的示例運算放大器電路，但負(fù)載遠(yuǎn)離運算放大器輸出

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

返回電流的相當(dāng)一部分應(yīng)該遵循上面討論的低電阻路徑，導(dǎo)致下圖中紅線所示的返回電流路徑。

需要適當(dāng)?shù)娜ヱ畈拍軓母咚龠\算放大器中提取最大的線性度性能。此外，旁路電容器的接地側(cè)應(yīng)放置在靠近運算放大器輸出并遠(yuǎn)離其輸入的位置，以便我們可以在電路的敏感節(jié)點（運算放大器輸入周圍）下有一個“更安靜”的接地。

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