PCB設計で高調波歪みを低減する方法

PCB設計で高調波歪みを低減する方法

実際、プリント回路基板 (PCB) は電気的な線形材料で構成されています。つまり、そのインピーダンスは一定でなければなりません。 では、なぜ PCB は信号に非線形性を導入するのでしょうか? その答えは、PCB レイアウトは電流が流れる場所に対して「空間的に非線形」であるということです。

増幅器がこの電源または別の電源のどちらから電流を受け取るかは、負荷上の信号の瞬間的な極性によって異なります。 電流は、電源からバイパス コンデンサを通って流れ、アンプを通って負荷に流れます。 次に、電流は負荷グランド端子 (または PCB 出力コネクタのシールド) からグランド プレーンに戻り、バイパス コンデンサを通過して、最初に電流を供給した電源に戻ります。

電流が流れる最小インピーダンス パスの概念は正しくありません。 すべての異なるインピーダンス経路の電流量は、その導電率に比例します。 グラウンド・プレーンには、多くの場合、電流の大部分が流れる低インピーダンス経路が複数存在します。1 つの経路はバイパス・コンデンサに直接接続されています。 もう 1 つは、バイパス コンデンサに到達する前に入力抵抗を励起します。 アース リターン電流が問題の真の原因です。

バイパス コンデンサが PCB 上の異なる位置に配置されている場合、グランド電流はそれぞれのバイパス コンデンサに異なる経路を通って流れます。つまり、「空間的な非線形性で表される意味。グランド電流の特定の極性の成分の大部分が 入力回路のグランドを流れる場合、信号のこの極性のコンポーネント電圧のみが乱されます. グランド電流の他の極性が乱されない場合, 入力信号電圧は非線形に変化します. 極性成分が変化し、他の極性が変化しない場合、歪みが発生し、出力信号 True の 2 次高調波の損失として現れます。

正弦波の一方の極性成分だけが乱れると、生成される波形は正弦波ではなくなります。 負荷電流が 1 Ω の抵抗を通過し、入力グランド電圧が信号の一方の極性にのみ結合されるように、理想的なアンプを 100 Ω の負荷でシミュレートすると、図 3 に示す結果が得られます。 フーリエ変換すると、-68dBc で歪み波形がほとんどすべて 2 次高調波であることがわかります。 周波数が非常に高い場合、PCB 上でこの程度のカップリングが発生しやすくなります。 PCB の特別な非線形効果に頼ることなく、アンプの優れた歪み防止特性を破壊する可能性があります。 オペアンプ単体の出力がグランド電流経路により歪んでいる場合、バイパス回路を再配置することでグランド電流の流れを調整し、入力機器との距離を保つことができます。

マルチアンプチップ

複数のアンプ チップ (2 つ、3 つ、または 4 つのアンプ) の問題は、バイパス コンデンサのグランド接続をすべての入力から離すことができないため、より複雑になります。 これは、4 つのアンプの場合に特に当てはまります。 クワッドアンプチップの両側に入力があるため、入力チャネルへの妨害を軽減できるバイパス回路を配置するスペースがありません。

ほとんどのデバイスは、4 つのアンプ ピンに直接接続されています。 1 つの電源のグランド電流が、別のチャンネルの電源の入力グランド電圧とグランド電流を乱し、結果として歪みが発生する可能性があります。 たとえば、4 つのアンプのチャネル 1 の (Vs) バイパス コンデンサは、その入力の近くに直接配置できます。 (Vs) バイパス コンデンサは、パッケージの反対側に配置できます。 (Vs) グランド電流はチャネル 1 を妨害する可能性がありますが、(Vs) グランド電流はそうではない可能性があります。 PCB アセンブリおよび PCB 処理メーカーは、PCB 設計で高調波歪みを低減する方法を説明しています。