了解去耦电容器如何减少二次谐波失真

通过遵循一些在PCB布局中放置去耦电容器的准则，了解如何减少二次谐波失真。

在上一篇文章中，我们讨论了需要对称的PCB布局以减少二次谐波失真。

在本文中，我们将看到，如果没有适当的去耦，我们将无法从高速运算放大器中获得最大的线性度性能。此外，我们将讨论简单地重新布置去耦电容器会影响高速放大级的失真性能。

电容器去耦差会增加失真

PCB的电源和接地导体确实表现出一定的电感。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，则该电感会引起问题。

回想一下，电感两端出现的电压降与电流变化率成正比。因此，在较高的频率下，电源导体和接地导体之间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。

使用高速运算放大器时，电源电压的变化将取决于信号，因此线性性能将大大降低。

为了解决这个问题，我们将去耦电容放置在运算放大器电源引脚附近。去耦电容器充当电荷源，可提供高频电流并显着降低电源电压的变化。下图显示了驱动100Ω负载的AD9631运算放大器输出的频率成分。

图1.适当去耦（左）和未去耦（右）的AD9631运算放大器的频谱输出。

如您所见，通过适当的去耦，可以大大减少失真分量。

使电容器的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。考虑以下所示的布局示例，该示例用于采用SOIC封装的运算放大器的同相放大级。

在这些示例中，所有组件都放置在电路板的顶侧，而仅正电源轨的旁路电容器（C旁路1）在底侧。我们假设电路板具有专用的接地层，并且以绿色圆圈表示的过孔将走线或焊盘连接到该接地层。

图2.两个电路图，其中负电源的旁路电容器的位置不同。

如您所见，这两个布局完全相同，除了负轨的旁路电容器（Cpass2）的位置。虽然左侧的布局将Cpasspass2的接地端放置在靠近运算放大器输入的位置，但右侧的布局尝试使此端子靠近负载并远离运算放大器的输入。

图2（b）中的布局可以实现更好的失真性能。

注意返回电流路径

为了理解为什么图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Cbypass2提供负载电流时，流过接地层的返回电流。

当输出信号极性为负时，从负载汲取的电流流经顶层走线和运算放大器电路，如图3中的蓝色箭头所示。

图3.与图2相同的图，但是用蓝色箭头显示电流。

我们知道，高频回流电流直接在信号走线下方流动，以最大程度地减小环路面积。因此，图3（a）中布局的返回电流应遵循类似于红线所示的路径。

但是，必须注意的是，尽管大多数返回电流都直接在信号走线的下方流动，但它仍然可以在接地面上稍微散开，如图4所示。

图4.高频返回电流的分布。

因此，采用图3（a）的布局，返回电流会扰动运算放大器输入端的电压。耦合至运算放大器输入的误差信号将取决于信号，因此将导致运算放大器输出失真。由于与信号有关的误差电压仅在输出电压的一种极性（负极性）期间出现，因此它将主要增加二次谐波失真。

在图3（b）的接地平面上，返回电流将选择哪种路径？

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。但是，在这种情况下，旁路盖的接地侧非常靠近负载的接地端子。因此，与最小电感的路径相比，图3（a）中红色箭头所示的路径可以提供非常小的电阻。实际上，返回电流将选择阻抗最小的路径（应同时考虑路径电感和电阻）。

为了确定返回电流的确切分布，我们需要仿真工具。但是，我们可以推断出一部分返回电流将流向红色箭头，而相对较小的电流将流向蓝色箭头。在信号走线下方流过相对较小的电流的情况下，我们可以期望在电路的敏感节点下方（运放输入周围）有一个“更安静”的接地。

使旁路电容的接地端远离运算放大器输入是一种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建议使用该技术。

如果负载远离运算放大器输出怎么办？

让我们再看一个示例，其中负载位于距运算放大器输出一定距离的位置，如图5所示。

图5.我们的示例运算放大器电路，但负载距离运算放大器输出较远。

同样，我们应使旁路电容器的接地端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地方，其接地端子应靠近运算放大器的输出。

返回电流的很大一部分应遵循上面讨论的低电阻路径，导致返回电流路径由下图中的红线表示。

需要适当的去耦，才能从高速运算放大器中获得最大的线性度性能。此外，旁路电容器的接地端应放置在靠近运算放大器的位置，并远离其输入，以便我们在电路的敏感节点下方（运算放大器输入附近）可以有一个“更安静”的接地。
编辑：lyn