「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，需要對稱的PCB布局 .

在本文中，我們將看到，如果沒有適當?shù)慕怦?，我們就無法從高速運算放大器中提取最大的線性性能。此外，我們將討論簡單地重新布置去耦電容器會影響高速放大級的失真性能。

印刷電路板的電源和接地導體確實表現(xiàn)出一些電感。如果我們試圖通過電源和接地導體直接提供設(shè)備的高頻電流，這種電感會引起問題。

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，電源和接地導體之間會出現(xiàn)相對較大的電壓降，我們將無法向IC提供恒定的電源電壓。

使用高速運算放大器時，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，我們把去耦電容器放在運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100Ω負載的AD9631運算放大器輸出端的頻率含量。

如您所見，通過適當?shù)慕怦睿д娣至繉@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封裝中使用運算放大器的非反轉(zhuǎn)放大級的布局示例。

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)有一個綠色的地板，或者說是一個接地的平面。

圖2負軌旁路電容器位置不同的兩個電路圖。

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

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，考慮當施加到負載的信號具有負極性（即C）時流過接地層的回流電流旁路2正在提供負載電流

當輸出信號的極性為負時，從負載引出的電流流過頂層跟蹤和運算放大器電路，如圖3中藍色箭頭所示。

圖3與圖2中的圖相同，但用藍色箭頭顯示當前流。

我們知道高頻回流電流直接在信號軌跡下方流動使循環(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軌跡下方流動，但它仍然可以在地平面上略微擴散，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，回流電流會干擾運算放大器輸入端的電壓。耦合到運算放大器輸入端的錯誤信號將與信號相關(guān)，因此，將在運算放大器輸出端造成失真。由于信號相關(guān)的誤差電壓只出現(xiàn)在輸出電壓的一個極性（負極性）時，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，信號軌跡正下方的路徑（藍色箭頭下方）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。實際上，回流電流會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，而相對較小的電流將在藍色箭頭下方流動。由于在信號軌跡下流動的電流相對較小，我們可以期望在電路的敏感節(jié)點（運算放大器輸入端周圍）下方有一個“更安靜”的接地。

保持旁路蓋的接地端遠離運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。

讓我們再看一個例子，其中負載位于離運算放大器輸出一定距離的地方，如圖5所示。

圖5我們的例子運算放大器電路，但負載遠離運算放大器輸出。

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

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

為了從高速運算放大器中提取最大的線性性能，需要適當?shù)慕怦睢４送?，旁路電容器的接地?cè)應(yīng)靠近運算放大器輸出端，遠離其輸入端，以便在電路的敏感節(jié)點下（在運算放大器輸入端周圍）有一個“更安靜”的接地。