Zapravo, štampana ploča (PCB) izrađeni su od električnih linearnih materijala, odnosno njihova impedancija treba biti konstantna. Pa zašto PCB uvodi nelinearnost u signal? Odgovor je da je raspored PCB-a “prostorno nelinearan” u odnosu na mjesto gdje struja teče.

Hoće li pojačalo primati struju iz jednog ili drugog izvora ovisi o trenutnom polaritetu signala na opterećenju. Struja teče iz napajanja, preko bypass kondenzatora, kroz pojačalo u opterećenje. Struja tada putuje od priključka uzemljenja opterećenja (ili oklopa izlaznog priključka PCB -a) natrag u ravninu uzemljenja, preko zaobilaznog kondenzatora i natrag do izvora koji je izvorno napajao struju.

Koncept minimalnog puta struje kroz impedanciju je netačan. Količina struje na svim različitim putanjama impedancije proporcionalna je njenoj vodljivosti. U ravnini uzemljenja često postoji više od jedne nisko impedancijske staze kroz koju protiče veliki dio struje uzemljenja: jedna staza je izravno spojena na zaobilazni kondenzator; Drugi uzbuđuje ulazni otpornik sve dok se ne dosegne kondenzator premosnice. Slika 1 prikazuje ove dvije staze. Struja povratnog toka je ono što zaista uzrokuje problem.

Kako smanjiti harmonijska izobličenja u dizajnu PCB -a

Kada se zaobilazni kondenzatori postave na različite položaje na PCB -u, struja uzemljenja teče različitim putevima do odgovarajućih zaobilaznih kondenzatora, što znači “prostorna nelinearnost”. Ako značajan dio polarne komponente struje uzemljenja teče kroz masu ulaznog kola, samo ta polarna komponenta signala je poremećena. Ako se ne poremeti drugi polaritet struje uzemljenja, napon ulaznog signala se mijenja na nelinearan način. Kada se promijeni jedna komponenta polariteta, a druga nije, dolazi do izobličenja koje se očituje kao drugo harmoničko izobličenje izlaznog signala. Slika 2 prikazuje ovaj efekt izobličenja u pretjeranom obliku.

Kako smanjiti harmonijska izobličenja u dizajnu PCB -a

Kada je poremećena samo jedna polarna komponenta sinusnog vala, rezultirajući valni oblik više nije sinusni val. Simulacija idealnog pojačala s opterećenjem od 100 ω i spajanje struje opterećenja kroz otpornik od 1 ω u napon uzemljenja na samo jednom polaritetu signala rezultira slikom 3.Fourierova transformacija pokazuje da je izobličenje valnog oblika gotovo svih drugih harmonika na -68 DBC. Na visokim frekvencijama, ovaj nivo sprega se lako generira na PCB-u, što može uništiti izvrsne karakteristike protiv izobličenja pojačala bez pribjegavanja većini posebnih nelinearnih efekata PCB-a. Kada je izlaz jednog operacijskog pojačala izobličen zbog putanje uzemljenja, protok uzemljenja može se podesiti preuređivanjem obilazne petlje i održavanjem udaljenosti od ulaznog uređaja, kao što je prikazano na slici 4.

Kako smanjiti harmonijska izobličenja u dizajnu PCB -a

Čip sa više pojačala

Problem čipova s ​​više pojačala (dva, tri ili četiri pojačala) pogoršan je nemogućnošću da se veza uzemljenja kondenzatora zaobilaznice zadrži daleko od cijelog ulaza. Ovo se posebno odnosi na četiri pojačala. Čipovi sa četiri pojačala imaju ulazne priključke sa svake strane, tako da nema mjesta za zaobilazna kola koja umanjuju smetnje na ulaznom kanalu.

Kako smanjiti harmonijska izobličenja u dizajnu PCB -a

Slika 5 prikazuje jednostavan pristup rasporedu s četiri pojačala. Većina uređaja se spaja direktno na pin četvero pojačala. Struja uzemljenja jednog izvora napajanja može poremetiti ulazni napon uzemljenja i struju uzemljenja drugog kanala napajanja, što može dovesti do izobličenja. Na primjer, (+Vs) zaobilazni kondenzator na kanalu 1 četverostrukog pojačala može se postaviti neposredno uz njegov ulaz; (-Vs) bypass kondenzator može se postaviti na drugu stranu pakovanja. Struja uzemljenja (+Vs) može ometati kanal 1, dok struja uzemljenja (-vs) ne mora.

Kako smanjiti harmonijska izobličenja u dizajnu PCB -a

Da biste izbjegli ovaj problem, dopustite da struja uzemljenja ometa ulaz, ali neka struja PCB -a teče prostorno linearno. Da bi se to postiglo, zaobilazni kondenzator može se postaviti na PCB na takav način da (+Vs) i ( – Vs) struje uzemljenja teku istim putem. Ako ulazni signal podjednako ometaju pozitivna i negativna struja, neće doći do izobličenja. Stoga poravnajte dva zaobilazna kondenzatora jedan do drugog tako da dijele uzemljenje. Budući da dvije polarne komponente struje uzemljenja dolaze iz iste točke (zaštita izlaznog konektora ili masa opterećenja) i obje teku natrag u istu točku (zajedničko uzemljenje veze zaobilaznog kondenzatora), pozitivna/negativna struja teče kroz istim putem. Ako ulazni otpor kanala ometa (+Vs) struja, ( – Vs) struja ima isti učinak na nju. Budući da je rezultirajući poremećaj isti bez obzira na polaritet, nema izobličenja, ali će se dogoditi mala promjena u pojačanju kanala, kao što je prikazano na slici 6.

Kako smanjiti harmonijska izobličenja u dizajnu PCB -a

Za provjeru gornjeg zaključka korištena su dva različita rasporeda PCB-a: jednostavan izgled (slika 5) i izgled s niskim izobličenjem (slika 6). Izobličenje koje proizvodi četverooperacijsko pojačalo FHP3450 pomoću fairchild poluvodiča prikazano je u tablici 1. Tipična širina pojasa FHP3450 je 210MHz, nagib je 1100V/us, ulazna struja pristranosti 100nA, a radna struja po kanalu je 3.6 mA. Kao što se može vidjeti iz tablice 1, što je kanal više iskrivljen, to je poboljšanje bolje, tako da su četiri kanala gotovo jednakih performansi.

Kako smanjiti harmonijska izobličenja u dizajnu PCB -a

Bez idealnog četvero pojačala na PCB -u, mjerenje učinaka jednog kanala pojačala može biti teško. Očigledno, dati kanal pojačala ne ometa samo svoj ulaz, već i ulaz drugih kanala. Struja zemlje prolazi kroz sve različite ulaze kanala i proizvodi različite efekte, ali na nju utiče svaki izlaz, koji je mjerljiv.

Tablica 2 prikazuje harmonike izmjerene na drugim neukrštenim kanalima kada se pokreće samo jedan kanal. Nedefinirani kanal prikazuje mali signal (preslušavanje) na osnovnoj frekvenciji, ali također proizvodi izobličenja koja direktno unosi struja uzemljenja u odsustvu bilo kakvog značajnog fundamentalnog signala. Raspored s niskim izobličenjem na slici 6 pokazuje da su karakteristike drugog harmonika i totalnog harmonijskog izobličenja (THD) značajno poboljšane zbog skoro eliminiranja efekta uzemljenja.

Kako smanjiti harmonijska izobličenja u dizajnu PCB -a

Sažetak ovog članka

Jednostavno rečeno, na PCB -u struja povratnog toka protiče kroz različite zaobilazne kondenzatore (za različita napajanja) i samo napajanje, što je proporcionalno njegovoj vodljivosti. Struja visokofrekventnog signala teče natrag u mali zaobilazni kondenzator. Struje niske frekvencije, poput onih audio signala, mogu protjecati prvenstveno kroz veće zaobilazne kondenzatore. Čak i struja niže frekvencije može “zanemariti” puni kapacitet premosnice i teći direktno natrag do napajanja. Određena aplikacija će odrediti koji je trenutni put najkritičniji. Na sreću, lako je zaštititi čitavu putanju uzemljenja pomoću zajedničke točke uzemljenja i kondenzatora zaobilaznog uzemljenja na izlaznoj strani.

Zlatno pravilo za raspored VF PCB -a je držati HF premosnički kondenzator što bliže zapakiranom priključku za napajanje, ali usporedba slika 5 i 6 pokazuje da izmjena ovog pravila radi poboljšanja karakteristika izobličenja nema velike razlike. Poboljšane karakteristike izobličenja nastale su na račun dodavanja oko 0.15 inča visokofrekventnog zaobilaznog ožičenja kondenzatora, ali to je imalo mali utjecaj na performanse odziva izmjenične struje FHP3450. Raspored PCB-a važan je za maksimiziranje performansi visokokvalitetnog pojačala, a pitanja o kojima se ovdje govori nisu ograničena samo na VF pojačala. Signali niže frekvencije, poput zvuka, imaju mnogo strože zahtjeve za izobličenje. Učinak struje uzemljenja je manji na niskim frekvencijama, ali može i dalje predstavljati veliki problem ako se odgovarajući indeks izobličenja na odgovarajući način poboljša.