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 負載的 AD9631 運算放大器輸出端的頻率內(nèi)容。

圖 1.具有適當去耦（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?shù)娜ヱ?，失真分量會大大減少。

使電容接地端子遠離運算放大器輸入

PCB布局是優(yōu)化高速板失真性能的關(guān)鍵因素?？紤]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. 負軌旁路電容器位置不同的兩個電路圖

如你所見，除了負軌 (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載并遠離運算放大器輸入。

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，請考慮當施加到負載的信號具有負極性時流經(jīng)接地層的返回電流，即，C bypass2正在提供負載電流。

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

圖 3. 與圖 2 相同的圖表，但用藍色箭頭顯示電流

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常靠近負載的接地端子。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。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。

如果負載遠離運算放大器輸出怎么辦？

讓我們再看一個示例，其中負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，但負載遠離運算放大器輸出

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?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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