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En un artículo anterior, discutimos que se requiere un diseño de PCB simétrico para reducir la distorsión del segundo armónico.
En este artículo, veremos que, sin el desacoplamiento adecuado, no podemos extraer el máximo rendimiento de linealidad de un amplificador operacional de alta velocidad. Además, discutiremos que simplemente reorganizar un capacitor de desacoplamiento puede afectar el rendimiento de distorsión de una etapa de amplificación de alta velocidad.

Un desacoplamiento deficiente del condensador puede aumentar la distorsión

Los conductores de potencia y de tierra de una PCB exhiben cierta inductancia. Esta inductancia puede causar problemas si intentamos proporcionar las corrientes de alta frecuencia de un dispositivo directamente a través de los conductores de energía y tierra.
Recuerde que la caída de voltaje que aparece a través de un inductor es proporcional a la tasa de cambio de la corriente. Por lo tanto, a frecuencias más altas, aparecerá una caída de voltaje relativamente mayor a través de los conductores de energía y tierra y no podremos entregar un voltaje de suministro constante al IC.
Con un amplificador operacional de alta velocidad, las variaciones en el voltaje de suministro dependerán de la señal y, en consecuencia, el rendimiento de linealidad se degradará significativamente.
Para abordar este problema, colocamos condensadores de desacoplamiento cerca de los pines de suministro del amplificador operacional. Actuando como una fuente de carga, los condensadores de desacoplamiento proporcionan las corrientes de alta frecuencia y reducen significativamente las variaciones en la tensión de alimentación. La siguiente figura muestra el contenido de frecuencia en la salida del amplificador operacional AD9631 con una carga de 100 Ω.

Figura 1. La salida espectral del amplificador operacional AD9631 con desacoplamiento adecuado (izquierda) y sin desacoplamiento (derecha). Imagen cortesía de Analog Devices.

Como puede ver, con el desacoplamiento adecuado, los componentes de distorsión se reducen drásticamente.

Mantenga el terminal de tierra del capacitor alejado de las entradas del amplificador operacional

El diseño de PCB es un factor clave a la hora de optimizar el rendimiento de distorsión de una placa de alta velocidad. Considere los ejemplos de diseño que se muestran a continuación para una etapa de amplificación no inversora que usa un amplificador operacional en un paquete SOIC.
En estos ejemplos, todos los componentes se colocan en la parte superior de la placa y solo el condensador de derivación del riel positivo (Cbypass1) está en la parte inferior. Suponemos que la placa tiene un plano de tierra dedicado y las vías, representadas por los círculos verdes, conectan un rastro o almohadilla a este plano de tierra.

Figura 2. Dos diagramas de circuito con diferente ubicación del condensador de derivación del riel negativo.

Como puede ver, los dos diseños son exactamente iguales excepto por la ubicación del condensador de derivación del riel negativo (Cbypass2). Mientras que el diseño de la izquierda coloca el lado de tierra de Cbypass2 cerca de las entradas del amplificador operacional, el diseño del lado derecho intenta mantener este terminal cerca de la carga y lejos de las entradas del amplificador operacional.
El diseño de la Figura 2 (b) puede lograr un mejor rendimiento de distorsión.

Preste mucha atención a la ruta actual de retorno

Para comprender por qué el diseño de la Figura 2 (b) presenta una distorsión menor, considere la corriente de retorno que fluye a través del plano de tierra cuando la señal aplicada a la carga tiene una polaridad negativa, es decir, Cbypass2 está suministrando la corriente de carga.
Cuando la polaridad de la señal de salida es negativa, la corriente extraída de la carga fluye a través de la traza de la capa superior y el circuito del amplificador operacional como lo muestran las flechas azules en la Figura 3.

Figura 3. Los mismos diagramas que en la Figura 2, pero mostrando el flujo de corriente con flechas azules.

Sabemos que la corriente de retorno de alta frecuencia fluye directamente debajo de la traza de la señal para minimizar el área del bucle. Por lo tanto, la corriente de retorno del diseño en la Figura 3 (a) debe seguir una ruta similar a la que se muestra en la línea roja.
Sin embargo, es importante tener en cuenta que, aunque la mayor parte de la corriente de retorno fluye directamente debajo de la traza de la señal, aún puede extenderse ligeramente en el plano de tierra como se muestra en la Figura 4.

Figura 4. Distribución de la corriente de retorno de alta frecuencia. Imagen cortesía de Segera Davies.

Por lo tanto, con el diseño de la Figura 3 (a), la corriente de retorno puede perturbar el voltaje en las entradas del amplificador operacional. La señal de error acoplada a las entradas del amplificador operacional dependerá de la señal y, en consecuencia, causará distorsión en la salida del amplificador operacional. Dado que el voltaje de error dependiente de la señal aparece solo durante una polaridad del voltaje de salida (la polaridad negativa), aumentará principalmente la distorsión del segundo armónico.
¿Qué camino elegirá la corriente de retorno en el plano de tierra en la Figura 3 (b)?
Nuevamente, la ruta directamente debajo de la traza de la señal (debajo de las flechas azules) ofrecerá la inductancia más baja posible. Sin embargo, en este caso, el lado de tierra de la tapa de derivación está muy cerca del terminal de tierra de la carga. Por lo tanto, la ruta que muestra la flecha roja en 3 (a) puede ofrecer una resistencia muy pequeña en comparación con la ruta de menor inductancia. De hecho, la corriente de retorno elegirá la ruta de menor impedancia (se deben considerar tanto la inductancia como la resistencia de la ruta).
Para determinar la distribución exacta de la corriente de retorno, necesitaremos herramientas de simulación; sin embargo, podemos deducir que una parte de la corriente de retorno fluirá alrededor de la flecha roja y una corriente relativamente menor fluirá debajo de las flechas azules. Con una corriente relativamente más pequeña que fluye por debajo de la traza de la señal, podemos esperar tener una tierra "más silenciosa" debajo de los nodos sensibles del circuito (alrededor de las entradas del amplificador operacional).
Mantener el lado de tierra de las tapas de bypass alejado de las entradas del amplificador operacional es una técnica eficaz para reducir la distorsión armónica y se recomienda comúnmente en diferentes documentos técnicos de diferentes fabricantes de chips.

¿Qué pasa si la carga está lejos de la salida del amplificador operacional?

Echemos un vistazo a un ejemplo más en el que la carga se encuentra a una distancia de la salida del amplificador operacional, como se muestra en la Figura 5.

Figura 5. Nuestro ejemplo de circuito de amplificador operacional pero con la carga más lejos de la salida del amplificador operacional.

Nuevamente, debemos mantener el lado de tierra del capacitor de derivación lejos de las entradas del amplificador operacional. El capacitor debe colocarse cerca del pin de la fuente de alimentación del amplificador operacional con su terminal de tierra cerca de la salida del amplificador operacional.
Una parte considerable de la corriente de retorno debe seguir la ruta de baja resistencia descrita anteriormente que conduce a la ruta de la corriente de retorno que se muestra con la línea roja en la siguiente figura.

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Se requiere un desacoplamiento adecuado para extraer el máximo rendimiento de linealidad de un amplificador operacional de alta velocidad. Además, el lado de tierra del capacitor de derivación debe colocarse cerca de la salida del amplificador operacional y lejos de sus entradas para que podamos tener una tierra más "silenciosa" debajo de los nodos sensibles del circuito (alrededor de las entradas del amplificador operacional).