实际上印刷线路板(PCB) 是由电气线性材料构成的,也即其阻抗应是恒定的。那么,PCB 为什么会将非线性引入信号内呢?答案在于:相对于电流流过的地方来说,PCB 布局是“空间非线性”的。

  

放大器是从这个电源还是从另外一个电源获取电流,取决于加负载上的信号瞬间极性。电流从电源流出,经过旁路电容,通过放大器进入负载。然后,电流从负载接地端(或 PCB 输出连接器的屏蔽)回到地平面,经过旁路电容,回到最初提供该电流的电源。

  

电流流过阻抗最小路径的概念是不正确的。电流在全部不同阻抗路径的多少与其电导率成比例。在一个地平面,常常有不止一个大比例地电流流经的低阻抗路径:一个路径直接连至旁路电容;另一个在达到旁路电容前,对输入电阻形成激励。图 1 示意了这两个路径。地回流电流才是真正引发问题的原因。

 


当旁路电容放在 PCB 的不同位置时,地电流通过不同路径流至各自的旁路电容,即“空间非线性”所代表的含义。若地电流某一极性的分量的很大部分流过输入电路的地,则只扰动信号的这一极性的分量电压。而若地电流的另一极性并没施扰,则输入信号电压以一种非线性方式发生变化。当一个极性分量发生改变而另一个极性没改动时,就会产生失真,并表现为输出信号的二次谐波失真。图 2 以夸张的形式显示这种失真效果。

 


 

当只有正弦波的一个极性分量受到扰动时,产生的波形就不再是正弦波。用一个 100Ω负载模拟理想放大器,使负载电流通过一个 1 Ω电阻,仅在信号的一个极性上耦合输入地电压,则得到图 3 所示的结果。傅立叶变换显示,失真波形几乎全是 -68dBc 处的二次谐波。当频率很高时,很容易在 PCB 上生成这种程度的耦合,它无需借助太多 PCB 特殊的非线性效应,就可毁掉放大器优异的防失真特性。当单个运算放大器的输出由于地电流路径而失真时,通过重新安排旁路回路可调节地电流流动,并保持与输入器件的距离,如图 4 所示。
 

 

 

多放大器芯片

多放大器芯片(两个、三个或者四个放大器)的问题更加复杂,因为它无法使旁路电容的地连接远离全部输入端。对四放大器来说更是如此。四放大器芯片的每一边都有输入端,所以没有空间放置可减轻对输入通道扰动的旁路电路。

  

图 5 给出了四放大器布局的简单方法。大多器件直接连至四放大器管脚。一个电源的地电流可扰动另一个通道电源的输入地电压和地电流,从而导致失真。例如,四放大器通道 1 上的(+Vs)旁路电容可直接放在临近其输入的地方;而(-Vs)旁路电容可放在封装的另一侧。(+Vs)地电流可扰动通道 1,而(-Vs)地电流则可能不会。

  

为避免这种问题,可让地电流扰动输入,但让 PCB 电流以一种空间线性方式流动。为实现此目的,可以采用下方式在 PCB 上布局旁路电容:使(+Vs) 和(–Vs) 地电流流经同一路径。若正 / 负电流对输入信号的扰动相等,则将不会产生失真。因此,使两个旁路电容紧挨着排列,以使它们共享一个接地点。因为地电流的两个极性分量来自同一个点(输出连接器屏蔽或负载地),并都回流至同一个点(旁路电容的公共地连接),所以正 / 负电流都流经同一路径。若一个通道的输入电阻被 (+Vs)电流扰动,则(–Vs)电流对其有相同影响。因为无论极性是怎样的,产生的扰动都相同,所以不会产生失真,但将使该通道增益发生小的变化,如图 6 所示。

  

为验证如上推断,采用两个不同的 PCB 布局:简易布局(图 5)和低失真布局(图 6)。采用飞兆半导体的 FHP3450 四运算放大器所产生的失真如表 1 所示,FHP3450 的典型带宽是 210MHz,斜率是 1100V/us,输入偏置电流是 100nA,每通道的工作电流是 3.6mA。从表 1 可看出,失真越严重的通道,改进的效果越好,从而使 4 个通道在性能上接近相等。

   

若在 PCB 上没有一个理想的四放大器,则测量单一放大器通道的效应会很困难。显然,一个给定的放大器通道不仅扰动其本身输入,还会扰动其它通道的输入。地电流流经全部不同的通道输入,且产生不同效果,但又都受每个输出的影响,这种影响是可测量的。

  

表 2 给出了当只驱动一个通道时,在其它未受驱动的通道上测量到的谐波。未驱动通道在基本频率上显示出一个小信号(串扰),但在没有任何显著基本信号的情况下,也产生由地电流直接引入的失真。图 6 的低失真布局显示:因为几乎消除了地电流效应,二次谐波和总体谐波失真(THD)特性有很大改进。

  

本文小结

简单地说,在 PCB 上,地回流电流流经不同的旁路电容(用于不同的电源)及电源本身,其大小与其电导率成比例。高频信号电流流回小旁路电容。低频电流(如音频信号的电流)可能主要流经更大的旁路电容。即使频率更低的电流也可能“漠视”全部旁路电容的存在,直接流回电源引线。具体的应用将决定哪个电流路径最关键。幸运的是,通过采用公共接地点及输出侧的地旁路电容,可以容易地保护全部地电流路径。

  

高频 PCB 布局的金科玉律是将高频旁路电容尽可能靠近封装的电源管脚,但比较图 5 和图 6 可以看出,为改进失真特性而修改该规则不会带来太大改变。改进失真特性是以增加约 0.15 英寸长的高频旁路电容走线为代价的,但这对 FHP3450 的 AC 响应性能影响很小。PCB 布局对充分发挥一款高质量放大器的性能很重要,这里讨论的问题绝非仅限于高频放大器。类似音频等频率更低的信号对失真的要求要严格得多。地电流效应在低频下要小一些,但若要求相应改进所需的失真指标,地电流仍可能是一个重要的问题。