В действителност, печатна платка (PCB) са изработени от електрически линейни материали, т.е. техният импеданс трябва да бъде постоянен. И така, защо печатната платка въвежда нелинейност в сигнал? Отговорът е, че оформлението на печатната платка е „пространствено нелинейно“ спрямо мястото, където протича токът.

Дали усилвателят получава ток от един или друг източник, зависи от моменталната полярност на сигнала върху товара. Токът тече от захранването, през байпасния кондензатор, през усилвателя към товара. The current then travels from the load ground terminal (or shielding of the PCB output connector) back to the ground plane, through the bypass capacitor, and back to the source that originally supplied the current.

The concept of minimum path of current through impedance is incorrect. The amount of current in all different impedance paths is proportional to its conductivity. В заземяващата равнина често има повече от един път с нисък импеданс, през който тече голяма част от земния ток: един път е директно свързан към байпасния кондензатор; Другият възбужда входния резистор, докато се достигне байпасният кондензатор. Фигура 1 илюстрира тези два пътя. The backflow current is what’s really causing the problem.

представят

Когато байпасните кондензатори са поставени на различни позиции на печатната платка, токът на земята тече по различни пътища към съответните байпасни кондензатори, което е значението на „пространствена нелинейност“. If a significant portion of a polar component of the ground current flows through the ground of the input circuit, only that polar component of the signal is disturbed. Ако другата полярност на земния ток не е нарушена, напрежението на входния сигнал се променя по нелинеен начин. Когато един компонент на полярността се промени, но другият полярност не е, възниква изкривяване и се проявява като второ хармонично изкривяване на изходния сигнал. Фигура 2 показва този ефект на изкривяване в преувеличена форма.

представят

Когато само един полярен компонент на синусоидата е нарушен, получената форма на вълната вече не е синусоида. Симулиране на идеален усилвател с натоварване от 100 ω и свързване на тока на натоварване през 1-ω резистор към напрежението на земята само при една полярност на сигнала, води до фигура 3. Fourier transform shows that the distortion waveform is almost all the second harmonics at -68 DBC. При високи честоти това ниво на свързване лесно се генерира на печатна платка, което може да унищожи отличните характеристики срещу изкривяване на усилвател, без да се прибягва до голяма част от специалните нелинейни ефекти на печатни платки. When the output of a single operational amplifier is distorted due to the ground current path, the ground current flow can be adjusted by rearranging the bypass loop and maintaining distance from the input device, as shown in Figure 4.

представят

Multiamplifier chip

Проблемът с многоусилвателните чипове (два, три или четири усилвателя) се усложнява от невъзможността да се поддържа заземяващата връзка на байпасния кондензатор далеч от целия вход. Това важи особено за четири усилвателя. Чиповете с четири усилвателя имат входни изводи от всяка страна, така че няма място за байпасни вериги, които смекчават смущенията във входния канал.

представят

Фигура 5 показва прост подход към оформлението с четири усилвателя. Повечето устройства се свързват директно към щифт за четириядрен усилвател. Заземяващият ток на едно захранване може да наруши входното земно напрежение и заземяващия ток на захранването на другия канал, което води до изкривяване. Например, байпасният кондензатор (+Vs) на канал 1 на четириядрения усилвател може да бъде поставен непосредствено до входа му; Байпасният кондензатор (-Vs) може да бъде поставен от другата страна на опаковката. Токът на земята (+Vs) може да наруши канал 1, докато токът на земята (-vs) може да не.

представят

За да избегнете този проблем, оставете земния ток да смущава входа, но оставете тока на печатната платка да тече пространствено линейно. За да се постигне това, байпасният кондензатор може да бъде разположен върху печатната платка по такъв начин, че (+Vs) и ( – Vs) земните токове да преминават през една и съща пътека. Ако входният сигнал е еднакво нарушен от положителни и отрицателни токове, изкривяване няма да възникне. Затова подравнете двата байпасни кондензатора един до друг, така че да споделят заземителна точка. Тъй като двата полярни компонента на заземяващия ток идват от една и съща точка (екранирането на изходния конектор или натоварването на земята) и двете текат обратно в една и съща точка (общото заземяване на байпасния кондензатор), положителният/отрицателният ток преминава през същия път. Ако входното съпротивление на канал е нарушено от (+Vs) ток, ( – Vs) токът има същия ефект върху него. Because the resulting disturbance is the same regardless of the polarity, there is no distortion, but a small change in the gain of the channel will occur, as shown in Figure 6.

представят

За да се провери горния извод, бяха използвани две различни оформления на печатни платки: просто оформление (Фигура 5) и оформление с ниско изкривяване (Фигура 6). Изкривяванията, произведени от четириядрения операционен усилвател FHP3450, използващ полупроводник Fairchild, са показани в таблица 1. Типичната честотна лента на FHP3450 е 210 MHz, наклонът е 1100V/us, входният ток на отклонение е 100nA, а работният ток на канал е 3.6 mA. As can be seen from Table 1, the more distorted the channel, the better the improvement, so that the four channels are nearly equal in performance.

представят

Without an ideal quad amplifier on a PCB, measuring the effects of a single amplifier channel can be difficult. Очевидно даден канал на усилвател нарушава не само собствения му вход, но и входа на други канали. The earth current flows through all the different channel inputs and produces different effects, but is influenced by each output, which is measurable.

Таблица 2 показва хармониците, измерени на други невъртани канали, когато се задвижва само един канал. Непредвиденият канал показва малък сигнал (кръстосани помехи) на основната честота, но също така произвежда изкривяване, директно въведено от заземяващия ток при липса на значителен фундаментален сигнал. Оформлението с ниско изкривяване на Фигура 6 показва, че характеристиките на втората хармоника и общото хармонично изкривяване (THD) са значително подобрени поради почти елиминирането на ефекта на земния ток.

представят

Резюме на тази статия

Просто казано, на печатна платка токът на обратния поток протича през различни байпасни кондензатори (за различни захранвания) и самото захранване, което е пропорционално на неговата проводимост. Токът на високочестотния сигнал се връща обратно към малкия байпасен кондензатор. Нискочестотните токове, като тези на аудио сигналите, могат да протичат предимно през по-големи байпасни кондензатори. Дори ток с по -ниска честота може да „пренебрегне“ пълния байпасен капацитет и да потече директно към захранващия проводник. Конкретното приложение ще определи кой текущ път е най -критичен. Fortunately, it is easy to protect the entire ground current path by using a common ground point and a ground bypass capacitor on the output side.

Златното правило за оформлението на ВЧ печатни платки е да държите ВЧ байпас кондензатора възможно най -близо до пакетирания захранващ щифт, но сравнението на Фигура 5 и Фигура 6 показва, че промяната на това правило за подобряване на характеристиките на изкривяване не прави голяма разлика. Подобрените характеристики на изкривяване дойдоха за сметка на добавянето на около 0.15 инча високочестотни байпасни кондензаторни проводници, но това имаше малко влияние върху характеристиките на AC промяна на FHP3450. Разположението на печатни платки е важно за постигане на максимална производителност на висококачествен усилвател, а обсъжданите тук въпроси не се ограничават до високочестотни усилватели. Сигналите с по -ниска честота като аудио имат много по -строги изисквания за изкривяване. Ефектът на земния ток е по -малък при ниски честоти, но все пак може да бъде важен проблем, ако съответният индекс на изкривяване се подобри съответно.