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通過對稱PCB布局減少二次諧波失真
發(fā)布時間：2023-06-08 00:00:00 瀏覽：1075次
由差分信號驅(qū)動的差分電路不產(chǎn)生偶次諧波。在本文中，我們將討論要減少二次諧波失真，有必要采用對稱的 PCB 布局。即使看似與對稱布局的輕微偏差也會將二次諧波的幅度提高幾個分貝。
我們還將討論實(shí)際上決定設(shè)計(jì)的偶次失真性能的是信號路徑對稱性而不是組件對稱性。
衰減二次諧波的基本技術(shù)
通過差分信號驅(qū)動對稱結(jié)構(gòu)通常是抑制二次諧波的基本技術(shù)。讓我們看看這種技術(shù)是如何工作的。
假設(shè)我們的非線性電路是無記憶的（即任何時刻的輸出只依賴于同一時刻的輸入）。我們可以使用以下等式來近似非線性輸入輸出特性：
vout(t)=α1vin(t)+α2vin2(t)+α3vin3(t)+α4vin4(t)+...vout(t)=α1vin(t)+α2vin2(t)+α3vin3(t)+α4vin4(t)+...
其中 vin(t)vin(t) 和 vout(t)vout(t) 分別是電路輸入和輸出信號。
在這個等式中，系數(shù) α1α1 指定電路的線性增益，α2α2 表征二次諧波失真。為了分析二次諧波，我們可以忽略高階失真系數(shù) (α3,α4,?)(α3,α4,?) 得到以下簡化方程：
vout(t)=α1vin(t)+α2vin2(t)vout(t)=α1vin(t)+α2vin2(t)
如果我們使用該電路的兩個副本，一個用輸入 vin(t)vin(t) 激勵，另一個用 ?vin(t)?vin(t) 激勵，我們將獲得以下輸出:
vout,+(t)=α1vin(t)+α2vin2(t)vout,+(t)=α1vin(t)+α2vin2(t)
vout,?(t)=α1(?vin(t))+α2(?vin(t))2=?α1vin(t)+α2vin2(t)vout,?(t)=α1(?vin(t))+α2(?vin(t))2=?α1vin(t)+α2vin2(t)
減去這兩個輸出，我們有：
vout,+(t)?vout,?(t)=2α1vin(t)vout,+(t)?vout,?(t)=2α1vin(t)
雖然各個電路會產(chǎn)生二次諧波，但差分輸出可以理想地抑制失真分量。這是差分操作的一個非常重要的特性，并解釋了為什么由差分信號驅(qū)動的差分電路不產(chǎn)生偶次諧波。
實(shí)際上，差分電路可能無法完全抑制偶次諧波。然而，與奇次諧波相比，差分結(jié)構(gòu)的偶次諧波通常可以忽略不計(jì)。
示例：差分 ADC 接口可以降低二次諧波
下圖顯示了一個示例應(yīng)用，其中兩個單端信號路徑用于創(chuàng)建到 ADS5500 的差分接口，ADS5500是TI 的 14 位、125-MSPS 模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 
圖 1，圖片由TI提供。
變壓器將單端輸入轉(zhuǎn)換為差分信號。經(jīng)過變壓器后，兩條信號路徑完全相同。
值得一提的是，在實(shí)踐中，變壓器輸出并不是理想的差分信號——兩個輸出之間可能存在相位和/或幅度不平衡。這些不平衡會增加二次諧波失真?？梢钥闯?，二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嚴(yán)重。
布局對稱性是二次諧波抑制的
除了在兩個信號路徑中使用相同的組件外，我們還需要采用對稱的 PCB 布局來限度地消除二次諧波。非對稱布局將阻止我們充分利用信號鏈中有源模擬模塊（例如 ADC 和運(yùn)算放大器）的線性度。
例如，考慮如下所示的 ADC 接口。 
圖 3.用于單端到差分轉(zhuǎn)換的雙巴倫拓?fù)洹?/div>
對于以 SNR 為關(guān)鍵參數(shù)的應(yīng)用，這是一種常見的電路拓?fù)洹Ｅc僅使用單個巴倫的結(jié)構(gòu)相比，雙巴倫配置可以減少差分輸出之間的相位和幅度不平衡。AD9266 （Analog Devices 的 16 位 1.8 V ADC）數(shù)據(jù)表建議使用雙平衡-不平衡變壓器結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)大于約 10 MHz 的頻率。
應(yīng)仔細(xì)注意此級的布局，以盡量減少二次諧波失真。
雙巴倫結(jié)構(gòu)的示例布局
雙巴倫結(jié)構(gòu)的兩種可能布局如圖 4 和圖 5 所示。
圖 4 不是一個理想的布局，因?yàn)閺?T1 到 T2 的走線對于上下信號路徑是不同的（即，x1 和 x2 不相同）。
這種布局的另一個問題是 T2 的兩個接地焊盤不對稱。
圖 4.雙巴倫配置的非對稱布局。
圖 5 顯示了該電路的另一種布局。在這種情況下，連接 T1 和 T2 的走線運(yùn)行到中點(diǎn)（上路徑為 n1，下路徑為 n2），然后連接到 T2 的相應(yīng)焊盤。這使得兩條路徑相同。此外，請注意對稱走線用于 T2 的兩個接地焊盤。
圖 5.對稱布局。
雖然這些調(diào)整可能看起來很微妙，但它們可以對設(shè)計(jì)的失真性能產(chǎn)生顯著影響。與圖 4 所示的布局相比，圖 5 的對稱布局可以將二次諧波幅度降低約 5dB。
元件對稱性與信號路徑對稱性
要獲得對稱布局，我們有時可以從根據(jù)對稱線放置組件開始。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等兩端元件，對稱元件放置應(yīng)導(dǎo)致對稱布局。
但是，非對稱包不是這種情況。例如，考慮一個采用 SOIC-8 封裝的運(yùn)算放大器。如圖 7 所示，相對于一條對稱線放置其中兩個封裝不會創(chuàng)建對稱布局。在此示例中，與下部運(yùn)算放大器的反相輸入相比，上部運(yùn)算放大器的反相輸入更遠(yuǎn)離對稱線。換句話說，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線，以保持信號對稱性。
考慮下圖：
圖 8
下圖顯示了改變對稱線如何讓我們保持運(yùn)行到運(yùn)算放大器反相輸入和運(yùn)算放大器輸出的走線的信號路徑對稱性。
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