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技術(shù)專題
如何使用去耦電容放置來減少諧波失真
電容器去耦差會增加失真
PCB的電源和接地導(dǎo)體確實表現(xiàn)出一定的電感。如果我們嘗試直接通過電源和接地導(dǎo)體提供設(shè)備的高頻電流，則該電感會引起問題。
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，在較高的頻率下，電源導(dǎo)體和接地導(dǎo)體之間會出現(xiàn)相對較大的壓降，我們將無法向IC提供恒定的電源電壓。
使用高速運(yùn)算放大器時，電源電壓的變化將取決于信號，因此線性性能將大大降低。
為了解決這個問題，我們將去耦電容放置在運(yùn)算放大器電源引腳附近。去耦電容器充當(dāng)電荷源，可提供高頻電流并顯著降低電源電壓的變化。下圖顯示了驅(qū)動100Ω負(fù)載的AD9631運(yùn)算放大器輸出的頻率成分。
圖1.適當(dāng)去耦（左）和未去耦（右）的AD9631運(yùn)算放大器的頻譜輸出。
如您所見，通過適當(dāng)?shù)娜ヱ?，可以大大減少失真分量。
使電容器的接地端子遠(yuǎn)離運(yùn)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]以下所示的布局示例，該示例用于采用SOIC封裝的運(yùn)算放大器的同相放大級。
在這些示例中，所有組件都放置在電路板的頂側(cè)，而僅正電源軌的旁路電容器（C旁路1）在底側(cè)。我們假設(shè)電路板具有專用的接地層，并且以綠色圓圈表示的過孔將走線或焊盤連接到該接地層。
圖2. 兩個電路圖，其中負(fù)電源的旁路電容器的位置不同。
如您所見，這兩個布局完全相同，除了負(fù)軌的旁路電容器（Cpass2）的位置。雖然左側(cè)的布局將Cpasspass2的接地端放置在靠近運(yùn)算放大器輸入的位置，但右側(cè)的布局嘗試使此端子靠近負(fù)載并遠(yuǎn)離運(yùn)算放大器的輸入。
圖2（b）中的布局可以實現(xiàn)更好的失真性能。
注意返回電流路徑
為了理解為什么圖2（b）中的布局表現(xiàn)出較低的失真，請考慮當(dāng)施加到負(fù)載的信號具有負(fù)極性時，即Cbypass2提供負(fù)載電流時，流過接地層的返回電流。
當(dāng)輸出信號極性為負(fù)時，從負(fù)載汲取的電流流經(jīng)頂層走線和運(yùn)算放大器電路，如圖3中的藍(lán)色箭頭所示。
圖3. 與圖2相同的圖，但是用藍(lán)色箭頭顯示電流。
我們知道，高頻回流電流直接在信號走線下方流動，以最大程度地減小環(huán)路面積。因此，圖3（a）中布局的返回電流應(yīng)遵循類似于紅線所示的路徑。
但是，必須注意的是，盡管大多數(shù)返回電流都直接在信號走線的下方流動，但它仍然可以在接地面上稍微散開，如圖4所示。
圖4.高頻返回電流的分布。
因此，采用圖3（a）的布局，返回電流會擾動運(yùn)算放大器輸入端的電壓。耦合至運(yùn)算放大器輸入的誤差信號將取決于信號，因此將導(dǎo)致運(yùn)算放大器輸出失真。由于與信號有關(guān)的誤差電壓僅在輸出電壓的一種極性（負(fù)極性）期間出現(xiàn)，因此它將主要增加二次諧波失真。
在圖3（b）的接地平面上，返回電流將選擇哪種路徑？
同樣，信號走線正下方的路徑（藍(lán)色箭頭下方）將提供盡可能低的電感。但是，在這種情況下，旁路蓋的接地側(cè)非常靠近負(fù)載的接地端子。因此，與最小電感的路徑相比，圖3（a）中紅色箭頭所示的路徑可以提供非常小的電阻。實際上，返回電流將選擇阻抗最小的路徑（應(yīng)同時考慮路徑電感和電阻）。
為了確定返回電流的確切分布，我們需要仿真工具。但是，我們可以推斷出一部分返回電流將流向紅色箭頭，而相對較小的電流將流向藍(lán)色箭頭。在信號走線下方流過相對較小的電流的情況下，我們可以期望在電路的敏感節(jié)點下方（運(yùn)放輸入周圍）有一個“更安靜”的接地。
使旁路電容的接地端遠(yuǎn)離運(yùn)算放大器輸入是一種減少諧波失真的有效技術(shù)，并且在不同芯片制造商的不同技術(shù)文檔中通常建議使用該技術(shù)。
如果負(fù)載遠(yuǎn)離運(yùn)算放大器輸出怎么辦？
讓我們再看一個示例，其中負(fù)載位于距運(yùn)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(yùn)算放大器電路，但負(fù)載距離運(yùn)算放大器輸出較遠(yuǎn)。
同樣，我們應(yīng)使旁路電容器的接地端遠(yuǎn)離運(yùn)算放大器輸入。電容器應(yīng)放置在靠近運(yùn)算放大器電源引腳的地方，其接地端子應(yīng)靠近運(yùn)算放大器的輸出。
返回電流的很大一部分應(yīng)遵循上面討論的低電阻路徑，導(dǎo)致返回電流路徑由下圖中的紅線表示。
需要適當(dāng)?shù)娜ヱ?，才能從高速運(yùn)算放大器中獲得最大的線性度性能。此外，旁路電容器的接地端應(yīng)放置在靠近運(yùn)算放大器的位置，并遠(yuǎn)離其輸入，以便我們在電路的敏感節(jié)點下方（運(yùn)算放大器輸入附近）可以有一個“更安靜”的接地。