對稱(chēng)的PCB布局減少二次諧波失真

2021-01-22

由差分信號驅動(dòng)的差分電路不會(huì )產(chǎn)生偶次諧波。在本文中，我們將討論為減少二次諧波失真，有必要采用對稱(chēng)的PCB布局。甚至看起來(lái)與對稱(chēng)布局的微小偏差也會(huì )使二次諧波的振幅增加幾分貝。

我們還將討論的是，信號路徑的對稱(chēng)性而不是組件的對稱(chēng)性實(shí)際上決定了設計的偶數階失真性能。

電路產(chǎn)生二次諧波時(shí)，差分輸出理想地抑制了失真分量。這是差分操作的一個(gè)非常重要的特性，并解釋了為什么由差分信號驅動(dòng)的差分電路不會(huì )產(chǎn)生偶次諧波。

實(shí)際上，差分電路可能無(wú)法完全抑制偶次諧波。但是，與它的奇數次諧波相比，差分結構的偶數次諧波通?？梢院雎圆挥?。  

示例：差分ADC接口可以降低二次諧波

下圖顯示了一個(gè)示例應用，其中兩個(gè)單端信號路徑用于創(chuàng )建與ADS5500的差分接口，ADS5500是TI的14位125-MSPS模數轉換器。 

圖1

變壓器將單端輸入轉換為差分信號。經(jīng)過(guò)變壓器后，兩個(gè)信號路徑完全相同。

值得一提的是，實(shí)際上，變壓器輸出不是理想的差分信號-兩個(gè)輸出之間可能存在相位和/或幅度不平衡。這些不平衡會(huì )增加二次諧波失真?？梢钥闯?，次諧波幅度受相位不平衡的影響比受幅度不平衡的影響更大。 

布局對稱(chēng)性對第二諧波抑制至關(guān)重要   

除了在兩個(gè)信號路徑中使用相同的組件外，我們還需要采用對稱(chēng)的PCB布局以最大程度地消除二次諧波。非對稱(chēng)布局將阻止我們充分利用信號鏈中活動(dòng)模擬模塊（例如ADC和運算放大器）的線(xiàn)性。

例如，考慮以下所示的ADC接口。  

圖2.  AD9266 ADC的ADC接口。

該ADC接口使用雙巴倫配置（如下所示）將單端輸入轉換為差分信號。 

圖3.雙巴倫拓撲，用于單端到差分轉換。 

這是SNR為關(guān)鍵參數的應用的常見(jiàn)電路拓撲。與僅使用單個(gè)巴倫的結構相比，雙巴倫結構可以減少差分輸出之間的相位和幅度不平衡。數據手冊AD9266  （ADI公司的16位1.8 V ADC）數據手冊建議采用雙平衡-不平衡變壓器結構，其頻率大于約10 MHz。

應仔細注意此階段的布局，以最大程度地減少二次諧波失真。 

雙巴倫結構的示例布局

雙平衡變換器結構的兩種可能的布局如圖4和5所示。

圖4并不是理想的布局，因為從T1到T2的走線(xiàn)對于上，下信號路徑是不相同的（即x1和x2不相同）。

這種布局的另一個(gè)問(wèn)題是T2的兩個(gè)接地焊盤(pán)不對稱(chēng)。 

圖4.雙巴倫配置的非對稱(chēng)布局。 

圖5顯示了該電路的另一種布局。在這種情況下，連接T1到T2的走線(xiàn)會(huì )到達一個(gè)中點(diǎn)（上路徑為n1，下路徑為n2），然后連接到T2的相應焊盤(pán)。這使兩條路徑相同。此外，請注意，對稱(chēng)的走線(xiàn)用于T2的兩個(gè)接地焊盤(pán)。 

圖5.對稱(chēng)布局。 

盡管這些調整可能看起來(lái)很微妙，但它們可以對設計的失真性能產(chǎn)生顯著(zhù)影響。與圖4所示的布局相比，圖5的對稱(chēng)布局可以將二次諧波幅度降低約5dB。 

組件對稱(chēng)性與信號路徑對稱(chēng)性

為了具有對稱(chēng)布局，有時(shí)我們可以從根據對稱(chēng)線(xiàn)放置組件開(kāi)始。例如，上面圖2中的電阻器和電容器可以如圖6所示放置。 

圖6

對于電阻器和電容器之類(lèi)的兩端器件，對稱(chēng)的元件放置應導致對稱(chēng)的布局。

但是，非對稱(chēng)封裝則不是這種情況。例如，考慮采用SOIC-8封裝的運算放大器。如圖7所示，相對于一條對稱(chēng)線(xiàn)放置這些封裝中的兩個(gè)不會(huì )產(chǎn)生對稱(chēng)布局。在此示例中，與下部運算放大器的反相輸入相比，上部運算放大器的反相輸入距離對稱(chēng)線(xiàn)更遠。換句話(huà)說(shuō)，d1> d2。  

圖7 

在這些情況下，我們必須考慮沿信號流路徑的不同對稱(chēng)線(xiàn)，以便保留信號對稱(chēng)性。

考慮下圖：

圖8

下圖顯示了如何改變對稱(chēng)線(xiàn)，使我們能夠保持進(jìn)入運算放大器反相輸入端和運算放大器輸出端的走線(xiàn)的信號路徑對稱(chēng)性。