用对称的PCB布局减少二次谐波失真

由差分信号驱动的差分电路产生甚至谐波。在本文中，我们将讨论以减少第二次谐波失真，必须采用对称PCB布局。甚至看起来与对称布局的差异偏差甚至可以通过几个分贝提高第二次谐波的幅度。

我们还将讨论它是信号路径对称而不是实际确定设计的均衡性失真性能的组件对称性。

衰减二次谐波的基本技术

通过差分信号驱动对称结构通常是抑制第二谐波的基本技术。让我们看看这个技术是如何工作的。

假设我们的非线性电路是内部内存的（即，随时输出仅在于同时取决于输入）。我们可以使用以下等式来近似非线性输入输出特性：

\ [v_ {out}（t）= \ alpha_1 v_ {in}（t）+ \ alpha_2 {v_ {in}} ^ 2（t）+ \ alpha_3 {v_ {in}} ^ 3（t）+ \ alpha_4{v_ {in}} ^ 4（t）+ ... \]

其中\（v_ {in}（t）\）和\（v_ {out}（t）\）分别是电路输入和输出信号。

在该等式中，系数\（\ alpha_1 \）指定电路的线性增益和\（\ alpha_2 \）表征第二谐波失真。为了分析二次谐波，我们可以忽略高阶失真系数\（（\ alpha_3，\ alpha_4，\ cdots）\）并获得下面的简化等式：

\ [v_ {out}（t）= \ alpha_1v_ {in}（t）+ \ \ alpha_2 {v_ {in}} ^ 2（t）\]

If we employ two replicas of this circuit, one excited with the input \(v_{in}(t)\) and the other one with \(-v_{in}(t)\), we’ll obtain the following outputs:

\ [v_ {out，+}（t）= \ alpha_1v_ {in}（t）+ \ \ alpha_2 {v_ {in}} ^ 2（t）\]

\ [v_ {out， - - }（t）= \ alpha_1（-v_ {}（t））+ \ alpha_2（ - {v_ {in}}（t））^ 2 = - \ alpha_1v_ {in}（t）+ \ alpha_2 {v_ {in}} ^ 2（t）\]

减去这两个输出，我们有：

\ [v_ {out，+}（t）-v_ {out， - }（t）= 2 \ alpha_1v_ {in}（t）\]

虽然各个电路产生二次谐波，但差分输出理想地抑制失真分量。这是差异操作的一个非常重要的特性，并解释了为什么由差分信号驱动的差分电路甚至谐波产生。

在实践中，差动电路可能不会完全抑制偶数次谐波。然而，与奇次谐波相比，微分结构的偶次谐波通常可以忽略不计。

示例：差分ADC接口可以减少第二次谐波

下图显示了一个示例应用程序，其中使用两个单端信号路径来为其创建差分接口ADS5500.，来自TI的14位125 MSP模数转换器。

图1，图片礼貌TI.。

变压器将单端输入转换为差分信号。在变压器之后，两个信号路径完全相同。

值得一提的是，在实践中，变压器输出不是理想的差分信号相位，两个输出之间可能存在/或幅度不平衡。这些不平衡可以增加二次谐波失真。它可以显示相位不平衡对二次谐波幅值的影响比幅值不平衡更严重。

布局对称是抑制二次谐波的中心

除了在两个信号路径中使用相同的组件之外，我们还需要采用对称PCB布局来最大化第二次谐波消除。非对称布局将防止我们充分利用信号链中的活动模块的线性度，例如ADC和OP-AMPS。

例如，考虑下面如下所示的ADC接口。

图2。AD9266 ADC的ADC接口。图片礼貌模拟设备。

该ADC接口使用双平衡器配置（下面描绘）来将单端输入转换为差分信号。

图3。双巴伦拓扑为单端差分转换。

这是SNR是关键参数的应用程序的公共电路拓扑。与仅使用单个平衡的结构相比，双平衡器配置可以减少差分输出之间的相位和幅度不平衡。这AD9266.(a16-bit, 1.8 V ADC from Analog Devices)数据表推荐双balun结构，频率大于约10mhz。

应注意此阶段的布局，以最小化第二次谐波失真。

用于双酥油结构的示例布局

双平面叶结构的两个可能布局如图4和5所示。

图4不是理想的布局，因为从T1到T2运行的迹线对上信号路径和下信号路径不相同（即，X1和X2不相同）。

这种布局的另一个问题是T2的两个接地板不对称。

图4。双平衡器配置的非对称布局。

图5显示了该电路的替代布局。在这种情况下，将T1至T2连接到中点的迹线（用于上路径的N1和下一个N2），然后连接到相应的T2焊盘。这使得两条路径相同。另外，注意到对称迹线用于T2的两个接地垫。

图5。一个对称的布局。

虽然这些调整看起来很微妙，但它们可以对设计的失真性能产生显着影响。与图4中所示的布局相比，图5的对称布局可以将第二谐波幅度降低约5dB。

组件对称VS信号路径对称

要具有对称布局，我们有时可以根据对称线上放置组件。例如，如上图所示的电阻器和电容器可以如图6所示。

图6.

通过双端部件，例如电阻器和电容器，对称分量放置应导致对称布局。

但是，非对称包不是这种情况。例如，在SOIC-8包中考虑OP-AMP。如图7所示，将两个封装中的两个相对于对称线置于对称布局。在该示例中，与下OP-AMP的反相输入相比，上部OP-AMP的反相输入远离对称线。换句话说，D1> D2。

图7.

在这些情况下，我们必须沿着信号流路径考虑不同的对称线，以便保留信号对称性。

考虑下图：

图8.

下图显示了如何改变对称线的方式允许我们将迹线的信号路径对称性保持在运行到OP-AMP反相输入的迹线和OP-AMP输出中的信号路径对称性。

结论：对称设计的关键外来，减少二次谐波失真

正如我们在引入本文的那样，由差分信号驱动的差动电路即使是谐波也不会产生。为了减少二次谐波失真，我们需要使用对称PCB布局。甚至看似微妙的与对称布局的微妙偏差可以通过几个分贝提高第二次谐波的幅度。应当注意，它是信号路径对称性，而不是实际确定设计的均衡性失真性能的分量对称性。