正確的印制電路板布局可改善動(dòng)態(tài)范圍

諧波失真極低的現(xiàn)代IC放大器，在一系列應(yīng)用中可以改善動(dòng)態(tài)范圍。但是，要特別注意這些放大器在印制電路板上的布局，因?yàn)椴划?dāng)?shù)挠≈齐娐钒宀季挚梢允故д嫘阅軔夯?0dB。

典型的高速放大器結(jié)構(gòu)都包括兩套旁路電容器（圖 1）。一套電容器的電容量較大（約 1mF 至 10mF），另一套則要小幾個(gè)數(shù)量級(jí)（1nF至100nF）。在放大器的電源衰減較低的頻率下這些電容器能提供一個(gè)低阻抗的接地通路。一個(gè)高速放大器的正確旁路通常需要兩組或兩組以上的電容器，因?yàn)樵诜糯笃鲙捝舷耷?，電容量較大的電容器組一般會(huì)發(fā)生自諧振。高質(zhì)量的片式電容器是理想的去耦電容器，因?yàn)樗鼈兣c通孔式電容器相比，電感量要低很多。

電阻器RT用于端接放大器的輸入，使源阻抗與用于測(cè)量的測(cè)試儀器的阻抗相匹配。在不使用傳輸線的應(yīng)用電路中，無需使用端接電阻器。圖中放大器的輸出驅(qū)動(dòng)負(fù)載為RL，RL表示放大器要驅(qū)動(dòng)的任何可能的負(fù)載。當(dāng)放大器的輸出電壓為正時(shí)，放大器必須為RL提供電流。同樣，當(dāng)輸出電壓為負(fù)時(shí)，放大器必須吸收電流。無論放大器是通過負(fù)載吸收電流還是為負(fù)載提供電流，都要有電流返回電源的通道。電流在返回時(shí)會(huì)選擇最低阻抗的通道。


在高頻情況下，最低阻抗通道是經(jīng)過旁路電容器。當(dāng)放大器提供或吸收高頻電流時(shí)，該電流要流經(jīng)多個(gè)回路。上行旁路電容器的接地端為運(yùn)放提供電流，而運(yùn)放的吸收電流通過下行旁路電容器接地。每個(gè)流經(jīng)旁路電容器的高頻電流都被半波整流。有效旁路的關(guān)鍵是要了解高頻電流如何流動(dòng)。




所示電路包括驅(qū)動(dòng)等效1kΩ負(fù)載的一個(gè)高速放大器，負(fù)載構(gòu)成一個(gè)衰減器，為測(cè)試需要保持一個(gè)50Ω的反向端接（圖 2）。輸入也端接到50Ω，以匹配使用的信號(hào)源。不同電路板布局的失真測(cè)量結(jié)果各不相同（圖3與圖4）。對(duì)電路布局的高頻電流環(huán)路進(jìn)行分析將有助于闡明這些二次諧波失真的差異（圖5）。

圖 3 表示的是較差的情況，電源位于印制電路板的背面，意味著旁路電容器要由通孔（從印制電路板的一層到另一層的通孔）連接到電源。這些通孔會(huì)增加高頻電流回路的電感。當(dāng)放大器吸收電流時(shí)，該電流通過一個(gè)實(shí)心地層返回到C2和C4。然而，當(dāng)放大器提供電流時(shí)，該電流在返回C1和C3以前，要通過兩組感性通孔。




在高頻情況下，這些電感可以增加相當(dāng)大的阻抗。當(dāng)高頻電流通過這些阻抗時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生誤差電壓。由于高頻電流是半波整流的，誤差電壓也是半波整流的。經(jīng)半波整流的信號(hào)攜帶有大量的奇次諧波成份，會(huì)引起二次諧波失真，而三次諧波則保持不變。

圖 4 則相反，它是一種改進(jìn)的布局，電源在電路板正面旁路，所以旁路電容器不需要使用通孔。另外，負(fù)載接地靠近兩個(gè)去耦網(wǎng)絡(luò)，所以，在放大器提供和吸收高頻電流的通道上也無需通孔。這種經(jīng)改進(jìn)的印制電路板布局方法將二次諧波失真指標(biāo)改善了3dBc 至18dBc。并且這種改善適用于各種頻率。







差分旁路

旁路方法對(duì)避免接地問題很有用?？梢詫?duì)圖1進(jìn)行修改，使一組旁路電容器（C1和C3）跨接在電源上，而另一組旁路電容器（C2和C4）仍然連接在電源與接地之間。

這種結(jié)構(gòu)可以方便地在印制電路板上實(shí)現(xiàn)旁路電容器與負(fù)載的真正接地。負(fù)載與旁路電容器的完全接地可以將兩接地點(diǎn)之間的電感減少到最低程度，因而減小了高頻地電流形成的誤差電壓。另外，高頻電流在返回負(fù)載或進(jìn)入負(fù)載前就整合起來，就不會(huì)出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)旁路情況下的半波整流問題，也就幾乎不包含奇次諧波成份。因此，電流通道中產(chǎn)生的誤差電壓不會(huì)增大失真。

將這一技術(shù)應(yīng)用于一個(gè)旁路不良的電路布局（圖 6）中，能夠顯著地改善失真。要記住旁路電容器走線應(yīng)盡量短，盡量不使用通孔。必須用通孔時(shí)，應(yīng)牢記兩個(gè)并行通孔的電感只有單一通孔電感的一半。當(dāng)增加通孔直徑時(shí)，通孔的電感量也會(huì)減小。當(dāng)需要反饋網(wǎng)絡(luò)接地時(shí)，而閉環(huán)增益大于 1的情況下，這種方法已證明特別有用。在這樣的情況下，反饋網(wǎng)絡(luò)是放大器負(fù)載的有效部分。流經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)的高頻電流也通過旁路電容器返回電源。所以，還需要確定反饋網(wǎng)絡(luò)的接地方式，使旁路電容器增加的電感量達(dá)到最小。

負(fù)載接地電流效應(yīng)

在上面的例子中，我們討論了不良旁路接地位置對(duì)諧波失真的影響。高頻電流通路的評(píng)測(cè)顯示，負(fù)載接地對(duì)布局也有影響。對(duì)長(zhǎng)的負(fù)載電流返回通路，100Ω 負(fù)載包括一個(gè)49.9Ω 的反向端接電阻器和一個(gè) 50Ω的電阻器（圖 7）。50Ω 電阻器是用于測(cè)量的頻譜分析儀的輸入阻抗。傳輸線是約一英寸長(zhǎng)的50Ω印制電路板走線，再串接6英寸長(zhǎng)的高質(zhì)量50Ω同軸電纜。提供和吸收的高頻電流必須經(jīng)過一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的感性回路，包括100Ω負(fù)載、多個(gè)旁路電容器、傳輸線，以及放大器的輸出級(jí)。

為縮短負(fù)載電流的返回通路，用一個(gè)976Ω電阻器替換49.9Ω電阻器，在其左側(cè)用一個(gè)114Ω電阻器接地，在右側(cè)用一個(gè)52.3Ω電阻器接地。對(duì)放大器來說，這一電路可實(shí)現(xiàn)相同的100Ω有效負(fù)載，并且到頻譜分析儀50Ω 端接處仍然存在一條長(zhǎng)通路。然而，由于有了114Ω電阻器，現(xiàn)在大部分負(fù)載電流有一個(gè)至旁路電容器的短返通路。這個(gè)短返通路的電感比前例中的長(zhǎng)返通路要小得多。當(dāng)高頻電流流經(jīng)這些回路時(shí)，較小的電感產(chǎn)生的誤差電壓也較低。盡管這種結(jié)構(gòu)不能用于驅(qū)動(dòng)反向端接線路，但它仍然優(yōu)化了放大器驅(qū)動(dòng)重負(fù)載（例如低噪聲電路結(jié)構(gòu)中的低阻抗反饋網(wǎng)路）的能力。

對(duì)這兩種負(fù)載電流返回通路的二次諧波失真進(jìn)行比較，可以看到，負(fù)載電流的長(zhǎng)返回通路增加了高頻電流回路的尺寸（圖 8）。由于回路較長(zhǎng)，因此有更大電感量。通過旁路電容器出入負(fù)載的高頻半波整流電流會(huì)產(chǎn)生誤差電壓。由于這些誤差電壓是半波整流的，因此會(huì)影響到二次諧波失真指標(biāo)。本例顯示出保持高頻電流通路盡量短的重要性，方法是不要在遠(yuǎn)離放大器的地方將負(fù)載接地。

不幸的是，用戶很難改變放大器的管腳引出位置，管腳位置也可以對(duì)失真造成重大影響。造成問題的原因是，在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 SO-8 封裝上，負(fù)電源管腳正挨著放大器的非反相輸入端（圖 9）。當(dāng)電流流入放大器時(shí)，會(huì)從負(fù)電源流出。這個(gè)電流（dLS）產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng) B，把負(fù)電源管腳耦合至非反相輸入端。這兩個(gè)管腳的耦合可在非反相輸入端產(chǎn)生誤差電流（dIIP）。

根據(jù)楞次(Lenz)定律，磁場(chǎng)產(chǎn)生的電流方向與磁場(chǎng)方向相反。這個(gè)誤差電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)誤差電壓，它出現(xiàn)在每個(gè)周期的一半中，因?yàn)?-VS 只在一半時(shí)間里提供負(fù)載電流。因此，輸入電壓會(huì)產(chǎn)生一種不對(duì)稱，導(dǎo)致偶次諧波失真加重。有些放大器會(huì)可旋轉(zhuǎn)引出腳，將負(fù)電源與非反相輸入端分開（圖10）。

當(dāng)電路驅(qū)動(dòng)一個(gè)低阻抗負(fù)載時(shí)，用戶更容易看到封裝管腳對(duì)失真的影響。這是因?yàn)榱鬟^的電流較大，因此使 dIS也較大（圖11）。增加系統(tǒng)的閉環(huán)增益會(huì)使輸出端誤差更大，但也不會(huì)遞增失真，因?yàn)殚]環(huán)增益的減小早已造成了失真惡化問題。