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如何使用去耦电容器放置来减少谐波失真
接线图
2025年02月15日 12:58 23
admin
电容器去耦不良会增加失真
PCB 的电源和接地导体确实存在一定的电感。如果我们尝试直接通过电源和接地导体提供设备的高频电流，则该电感可能会导致问题。
回想一下，电感器上出现的电压降与电流的变化率成正比。因此，在较高频率下，电源和接地导体上会出现相对较大的压降，我们将无法向 IC 提供恒定的电源电压。
对于高速运算放大器，电源电压的变化将取决于信号，因此线性性能将显着下降。
正如您所看到的，通过适当的去耦，失真分量会显着减少。
使电容器接地端子远离运算放大器输入
PCB 布局是优化高速板失真性能的关键因素。考虑下面所示的非反相放大级的布局示例，该放大级使用 SOIC 封装中的运算放大器。
正如您所看到的，除了负轨旁路电容器 ( Cbypass2 )的放置之外，两种布局完全相同。左侧的布局将 Cbypass2 的接地侧靠近运算放大器输入，而右侧的布局则试图使该端子靠近负载并远离运算放大器输入。
图2(b)中的布局可以实现更好的失真性能。
仔细注意返回电流路径
要理解为什么图 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负极性时（即 C旁路 2提供负载电流）时流经接地层的返回电流。
我们知道，高频返回电流直接在信号走线下方流动，以最大限度地减少环路面积。因此，图 3(a) 中布局的返回电流应遵循与红线所示类似的路径。
因此，采用图 3(a) 中的布局，返回电流会扰动运算放大器输入端的电压。耦合到运算放大器输入的误差信号将与信号相关，因此将导致运算放大器输出失真。由于信号相关误差电压仅在输出电压的一种极性（负极性）期间出现，因此它主要会增加二次谐波失真。
返回电流将在图 3(b) 中的接地层上选择什么路径？
同样，信号走线正下方的路径（蓝色箭头下方）将提供尽可能低的电感。然而，在这种情况下，旁路电容的接地侧非常接近负载的接地端子。因此，与最小电感的路径相比，3(a)中红色箭头所示的路径可以提供非常小的电阻。事实上，返回电流会选择阻抗最小的路径（路径电感和电阻都要考虑）。
为了确定返回电流的准确分布，我们需要仿真工具；然而，我们可以推断出一部分返回电流将在红色箭头周围流动，而相对较小的电流将在蓝色箭头下方流动。由于信号走线下方流动的电流相对较小，因此我们可以期望在电路的敏感节点下方（运算放大器输入周围）有一个“更安静”的接地。
使旁路电容的接地侧远离运算放大器输入是减少谐波失真的有效技术，并且在不同芯片制造商的不同技术文档中通常推荐这种技术。
如果负载远离运算放大器输出怎么办？
同样，我们应该使旁路电容器的接地侧远离运算放大器输入。电容器应放置在靠近运算放大器电源引脚的位置，其接地端靠近运算放大器输出。
相当一部分返回电流应遵循上面讨论的低电阻路径，从而形成下图中红线所示的返回电流路径。
PCB 的电源和接地导体确实存在一定的电感。如果我们尝试直接通过电源和接地导体提供设备的高频电流，则该电感可能会导致问题。
回想一下，电感器上出现的电压降与电流的变化率成正比。因此，在较高频率下，电源和接地导体上会出现相对较大的压降，我们将无法向 IC 提供恒定的电源电压。
对于高速运算放大器，电源电压的变化将取决于信号，因此线性性能将显着下降。
为了解决这个问题，我们将去耦电容器放置在靠近运算放大器电源引脚的位置。作为电荷源，去耦电容器提供高频电流并显着减少电源电压的变化。
正如您所看到的，通过适当的去耦，失真分量会显着减少。
使电容器接地端子远离运算放大器输入
PCB 布局是优化高速板失真性能的关键因素。考虑下面所示的非反相放大级的布局示例，该放大级使用 SOIC 封装中的运算放大器。
在这些示例中，所有组件都放置在电路板的顶侧，只有正电源轨的旁路电容器 (Cbypass1 )位于底侧。我们假设电路板有一个专用的接地层，并且由绿色圆圈表示的过孔将走线或焊盘连接到该接地层。
正如您所看到的，除了负轨旁路电容器 ( Cbypass2 )的放置之外，两种布局完全相同。左侧的布局将 Cbypass2 的接地侧靠近运算放大器输入，而右侧的布局则试图使该端子靠近负载并远离运算放大器输入。
图2(b)中的布局可以实现更好的失真性能。
仔细注意返回电流路径
要理解为什么图 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负极性时（即 C旁路 2提供负载电流）时流经接地层的返回电流。
当输出信号极性为负时，从负载汲取的电流流过顶层走线和运算放大器电路，如图 3 中的蓝色箭头所示。
我们知道，高频返回电流直接在信号走线下方流动，以最大限度地减少环路面积。因此，图 3(a) 中布局的返回电流应遵循与红线所示类似的路径。
然而，值得注意的是，虽然大部分返回电流直接在信号走线下方流动，但它仍然可以在接地层上稍微扩散，如图 4 所示。
因此，采用图 3(a) 中的布局，返回电流会扰动运算放大器输入端的电压。耦合到运算放大器输入的误差信号将与信号相关，因此将导致运算放大器输出失真。由于信号相关误差电压仅在输出电压的一种极性（负极性）期间出现，因此它主要会增加二次谐波失真。
返回电流将在图 3(b) 中的接地层上选择什么路径？
同样，信号走线正下方的路径（蓝色箭头下方）将提供尽可能低的电感。然而，在这种情况下，旁路电容的接地侧非常接近负载的接地端子。因此，与最小电感的路径相比，3(a)中红色箭头所示的路径可以提供非常小的电阻。事实上，返回电流会选择阻抗最小的路径（路径电感和电阻都要考虑）。
为了确定返回电流的准确分布，我们需要仿真工具；然而，我们可以推断出一部分返回电流将在红色箭头周围流动，而相对较小的电流将在蓝色箭头下方流动。由于信号走线下方流动的电流相对较小，因此我们可以期望在电路的敏感节点下方（运算放大器输入周围）有一个“更安静”的接地。
使旁路电容的接地侧远离运算放大器输入是减少谐波失真的有效技术，并且在不同芯片制造商的不同技术文档中通常推荐这种技术。
如果负载远离运算放大器输出怎么办？
我们再看一个示例，其中负载距离运算放大器输出一定距离，如图 5 所示。
同样，我们应该使旁路电容器的接地侧远离运算放大器输入。电容器应放置在靠近运算放大器电源引脚的位置，其接地端靠近运算放大器输出。
相当一部分返回电流应遵循上面讨论的低电阻路径，从而形成下图中红线所示的返回电流路径。
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