减少谐波失真的PCB设计方法

    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100 Ω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。
    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。