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如何減少PCB設計時的諧波失真
發表時間:2020-04-03

若在PCB上沒有一個理想的四放大器,則測量單一放大器通道的效應會很困難。顯然,一個給定的放大器通道不僅擾動其本身輸入,還會擾動其它通道的輸入。地電流流經全部不同的通道輸入,且產生不同效果,但又都受每個輸出的影響,這種影響是可測量的。

為避免這種問題,可讓地電流擾動輸入,但讓PCB電流以一種空間線性方式流動。為實現此目的,可以采用下方式在PCB上布局旁路電容:使(+Vs)和(–Vs) 地電流流經同一路徑。若正/負電流對輸入信號的擾動相等,則將不會產生失真。因此,使兩個旁路電容緊挨著排列,以使它們共享一個接地點。因為地電流的兩個極性分量來自同一個點(輸出連接器屏蔽或負載地),并都回流至同一個點(旁路電容的公共地連接),所以正/負電流都流經同一路徑。若一個通道的輸入電阻被(+Vs)電流擾動,則(–Vs)電流對其有相同影響。

當只有正弦波的一個極性分量受到擾動時,產生的波形就不再是正弦波。用一個100 Ω負載模擬理想放大器,使負載電流通過一個1 Ω電阻,僅在信號的一個極性上耦合輸入地電壓,則得到圖3所示的結果。傅立葉變換顯示,失真波形幾乎全是-68dBc處的二次諧波。當頻率很高時,很容易在PCB上生成這種程度的耦合,它無需借助太多PCB特殊的非線性效應,就可毀掉放大器優異的防失真特性。

當旁路電容放在PCB的不同位置時,地電流通過不同路徑流至各自的旁路電容,即“空間非線性”所代表的含義。若地電流某一極性的分量的很大部分流過輸入電路的地,則只擾動信號的這一極性的分量電壓。而若地電流的另一極性并沒施擾,則輸入信號電壓以一種非線性方式發生變化。當一個極性分量發生改變而另一個極性沒改動時,就會產生失真,并表現為輸出信號的二次諧波失真。圖2以夸張的形式顯示這種失真效果。

實際上印刷線路板(PCB)是由電氣線性材料構成的,也即其阻抗應是恒定的。那么,PCB為什么會將非線性引入信號內呢?答案在于:相對于電流流過的地方來說,PCB布局是“空間非線性”的。

放大器是從這個電源還是從另外一個電源獲取電流,取決于加負載上的信號瞬間極性。電流從電源流出,經過旁路電容,通過放大器進入負載。然后,電流從負載接地端(或PCB輸出連接器的屏蔽)回到地平面,經過旁路電容,回到最初提供該電流的電源。

電流流過阻抗最小路徑的概念是不正確的。電流在全部不同阻抗路徑的多少與其電導率成比例。在一個地平面,常常有不止一個大比例地電流流經的低阻抗路徑:一個路徑直接連至旁路電容;另一個在達到旁路電容前,對輸入電阻形成激勵。圖1示意了這兩個路徑。地回流電流才是真正引發問題的原因。

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