如何使用(yòng)去耦電(diàn)容放置来减少谐波失真

2021-02-22

電(diàn)容器去耦差会增加失真

PCB的電(diàn)源和接地导體(tǐ)确实表现出一定的電(diàn)感。如果我们尝试直接通过電(diàn)源和接地导體(tǐ)提供设备的高频電(diàn)流，则该電(diàn)感会引起问题。

回想一下，電(diàn)感两端出现的電(diàn)压降与電(diàn)流变化率成正比。因此，在较高的频率下，電(diàn)源导體(tǐ)和接地导體(tǐ)之间会出现相对较大的压降，我们将无法向IC提供恒定的電(diàn)源電(diàn)压。 

使用(yòng)高速运算放大器时，電(diàn)源電(diàn)压的变化将取决于信号，因此線(xiàn)性性能(néng)将大大降低。

為(wèi)了解决这个问题，我们将去耦電(diàn)容放置在运算放大器電(diàn)源引脚附近。去耦電(diàn)容器充当電(diàn)荷源，可(kě)提供高频電(diàn)流并显着降低電(diàn)源電(diàn)压的变化。下图显示了驱动100Ω负载的AD9631运算放大器输出的频率成分(fēn)。

 

图1.适当去耦（左）和未去耦（右）的AD9631运算放大器的频谱输出。 

如您所见，通过适当的去耦，可(kě)以大大减少失真分(fēn)量。

使電(diàn)容器的接地端子遠(yuǎn)离运算放大器输入

PCB布局是优化高速板失真性能(néng)的关键因素。考虑以下所示的布局示例，该示例用(yòng)于采用(yòng)SOIC封装的运算放大器的同相放大级。

在这些示例中，所有(yǒu)组件都放置在電(diàn)路板的顶侧，而仅正電(diàn)源轨的旁路電(diàn)容器（C旁路1）在底侧。我们假设電(diàn)路板具有(yǒu)专用(yòng)的接地层，并且以绿色圆圈表示的过孔将走線(xiàn)或焊盘连接到该接地层。 

 

图2. 两个電(diàn)路图，其中负電(diàn)源的旁路電(diàn)容器的位置不同。

如您所见，这两个布局完全相同，除了负轨的旁路電(diàn)容器（Cpass2）的位置。虽然左侧的布局将Cpasspass2的接地端放置在靠近运算放大器输入的位置，但右侧的布局尝试使此端子靠近负载并遠(yuǎn)离运算放大器的输入。

图2（b）中的布局可(kě)以实现更好的失真性能(néng)。 

 注意返回電(diàn)流路径

為(wèi)了理(lǐ)解為(wèi)什么图2（b）中的布局表现出较低的失真，请考虑当施加到负载的信号具有(yǒu)负极性时，即Cbypass2提供负载電(diàn)流时，流过接地层的返回電(diàn)流。

当输出信号极性為(wèi)负时，从负载汲取的電(diàn)流流经顶层走線(xiàn)和运算放大器電(diàn)路，如图3中的蓝色箭头所示。 

 

图3. 与图2相同的图，但是用(yòng)蓝色箭头显示電(diàn)流。

 我们知道，高频回流電(diàn)流直接在信号走線(xiàn)下方流动，以最大程度地减小(xiǎo)环路面积。因此，图3（a）中布局的返回電(diàn)流应遵循类似于红線(xiàn)所示的路径。

但是，必须注意的是，尽管大多(duō)数返回電(diàn)流都直接在信号走線(xiàn)的下方流动，但它仍然可(kě)以在接地面上稍微散开，如图4所示。 

图4.高频返回電(diàn)流的分(fēn)布。

因此，采用(yòng)图3（a）的布局，返回電(diàn)流会扰动运算放大器输入端的電(diàn)压。耦合至运算放大器输入的误差信号将取决于信号，因此将导致运算放大器输出失真。由于与信号有(yǒu)关的误差電(diàn)压仅在输出電(diàn)压的一种极性（负极性）期间出现，因此它将主要增加二次谐波失真。

在图3（b）的接地平面上，返回電(diàn)流将选择哪种路径？

同样，信号走線(xiàn)正下方的路径（蓝色箭头下方）将提供尽可(kě)能(néng)低的電(diàn)感。但是，在这种情况下，旁路盖的接地侧非常靠近负载的接地端子。因此，与最小(xiǎo)電(diàn)感的路径相比，图3（a）中红色箭头所示的路径可(kě)以提供非常小(xiǎo)的電(diàn)阻。实际上，返回電(diàn)流将选择阻抗最小(xiǎo)的路径（应同时考虑路径電(diàn)感和電(diàn)阻）。

為(wèi)了确定返回電(diàn)流的确切分(fēn)布，我们需要仿真工具。但是，我们可(kě)以推断出一部分(fēn)返回電(diàn)流将流向红色箭头，而相对较小(xiǎo)的電(diàn)流将流向蓝色箭头。在信号走線(xiàn)下方流过相对较小(xiǎo)的電(diàn)流的情况下，我们可(kě)以期望在電(diàn)路的敏感节点下方（运放输入周围）有(yǒu)一个“更安静”的接地。 

使旁路電(diàn)容的接地端遠(yuǎn)离运算放大器输入是一种减少谐波失真的有(yǒu)效技术，并且在不同芯片制造商(shāng)的不同技术文(wén)档中通常建议使用(yòng)该技术。

如果负载遠(yuǎn)离运算放大器输出怎么办？

让我们再看一个示例，其中负载位于距运算放大器输出一定距离的位置，如图5所示。

 

图5. 我们的示例运算放大器電(diàn)路，但负载距离运算放大器输出较遠(yuǎn)。

同样，我们应使旁路電(diàn)容器的接地端遠(yuǎn)离运算放大器输入。電(diàn)容器应放置在靠近运算放大器電(diàn)源引脚的地方，其接地端子应靠近运算放大器的输出。

返回電(diàn)流的很(hěn)大一部分(fēn)应遵循上面讨论的低電(diàn)阻路径，导致返回電(diàn)流路径由下图中的红線(xiàn)表示。

需要适当的去耦，才能(néng)从高速运算放大器中获得最大的線(xiàn)性度性能(néng)。此外，旁路電(diàn)容器的接地端应放置在靠近运算放大器的位置，并遠(yuǎn)离其输入，以便我们在電(diàn)路的敏感节点下方（运算放大器输入附近）可(kě)以有(yǒu)一个“更安静”的接地。