De fet, placa de circuit imprès (PCB) estan fets de materials lineals elèctrics, és a dir, la seva impedància ha de ser constant. Llavors, per què un PCB introdueix la no linealitat en un senyal? La resposta és que la distribució del PCB és “espacialment no lineal” en relació a on flueix el corrent.

Que l’amplificador rebi corrent d’una font o altra depèn de la polaritat instantània del senyal de la càrrega. El corrent flueix des de la font d’alimentació, a través del condensador de derivació, a través de l’amplificador cap a la càrrega. El corrent es desplaça des del terminal de terra de càrrega (o el blindatge del connector de sortida del PCB) cap al pla de terra, a través del condensador de derivació i cap a la font que originalment subministrava el corrent.

El concepte de trajectòria mínima de corrent a través de la impedància és incorrecte. La quantitat de corrent en tots els diferents camins d’impedància és proporcional a la seva conductivitat. En un pla de terra, sovint hi ha més d’un camí de baixa impedància per on flueix una gran proporció de corrent de terra: un camí està connectat directament al condensador de derivació; L’altre excita la resistència d’entrada fins que s’arriba al condensador de derivació. La figura 1 il·lustra aquests dos camins. El corrent de retrocés és el que realment està provocant el problema.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Quan els condensadors de derivació es col·loquen a diferents posicions del PCB, el corrent de terra flueix a través de diferents camins fins als condensadors de derivació respectius, que és el significat de “no linealitat espacial”. Si una porció significativa d’un component polar del corrent de terra flueix a través del sòl del circuit d’entrada, només es perturba aquest component polar del senyal. Si l’altra polaritat del corrent de terra no es pertorba, la tensió del senyal d’entrada canvia de manera no lineal. Quan es canvia un component de polaritat però l’altra no, es produeix una distorsió i es manifesta com la segona distorsió harmònica del senyal de sortida. La figura 2 mostra aquest efecte de distorsió de forma exagerada.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Quan només es pertorba un component polar de l’ona sinusoïdal, la forma d’ona resultant ja no és una ona sinusoïdal. Simulant un amplificador ideal amb una càrrega de 100 ω i acoblant el corrent de càrrega a través d’una resistència d’1 ω a la tensió de terra en una sola polaritat del senyal, es obté la figura 3.La transformada de Fourier mostra que la forma d’ona de distorsió és gairebé tots els segons harmònics a -68 DBC. A altes freqüències, aquest nivell d’acoblament es genera fàcilment en un PCB, que pot destruir les excel·lents característiques antidistorsió d’un amplificador sense recórrer a gran part dels efectes no lineals especials d’un PCB. Quan la sortida d’un amplificador operatiu únic es distorsiona a causa del recorregut de corrent de terra, el flux de corrent de terra es pot ajustar reordenant el bucle de derivació i mantenint la distància del dispositiu d’entrada, tal com es mostra a la figura 4.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Xip multiamplificador

El problema dels xips multi-amplificadors (dos, tres o quatre amplificadors) es veu agreujat per la impossibilitat de mantenir la connexió a terra del condensador de derivació lluny de tota l’entrada. Això és especialment cert per a quatre amplificadors. Els xips de quatre amplificadors tenen terminals d’entrada a cada costat, de manera que no hi ha espai per als circuits de derivació que mitigin la pertorbació del canal d’entrada.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

La figura 5 mostra una aproximació senzilla a un disseny de quatre amplificadors. La majoria dels dispositius es connecten directament a un pin de quatre amplificadors. El corrent de terra d’una font d’alimentació pot alterar la tensió de terra d’entrada i el corrent de terra de l’altra font d’alimentació, provocant una distorsió. Per exemple, el condensador de derivació (+ Vs) al canal 1 del quad amplificador es pot col·locar directament adjacent a la seva entrada; El condensador de derivació (-Vs) es pot col·locar a l’altre costat del paquet. El corrent de terra (+ Vs) pot molestar el canal 1, mentre que el corrent de terra (-vs) no.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Per evitar aquest problema, deixeu que el corrent de terra pertorbi l’entrada, però deixeu que el corrent del PCB flueixi de manera espacialment lineal. Per aconseguir-ho, el condensador de derivació es pot disposar a la PCB de manera que els corrents de terra (+ Vs) i (- Vs) flueixin pel mateix camí. Si el corrent positiu i negatiu pertorba el senyal d’entrada igualment, no es produirà distorsió. Per tant, alineeu els dos condensadors de derivació l’un al costat de l’altre de manera que comparteixin un punt de terra. Com que els dos components polars del corrent de terra provenen del mateix punt (el blindatge del connector de sortida o la terra de càrrega) i tots dos tornen al mateix punt (la connexió de terra comuna del condensador de derivació), el corrent positiu / negatiu travessa el mateix camí. Si la resistència d’entrada d’un canal es veu alterada pel corrent (+ Vs), el corrent (- Vs) té el mateix efecte. Com que la pertorbació resultant és la mateixa independentment de la polaritat, no hi ha distorsió, però es produirà un petit canvi en el guany del canal, tal com es mostra a la figura 6.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Per verificar la inferència anterior, es van utilitzar dos dissenys de PCB diferents: un disseny simple (Figura 5) i un disseny de baixa distorsió (Figura 6). La distorsió produïda per l’amplificador de quatre operacions FHP3450 que utilitza semiconductor fairchild es mostra a la taula 1. L’amplada de banda típica del FHP3450 és de 210 MHz, el pendent és de 1100 V / us, el corrent de biaix d’entrada és de 100 nA i el corrent de funcionament per canal és de 3.6 mA. Com es pot veure a la taula 1, com més distorsionat sigui el canal, millor serà la millora, de manera que els quatre canals tenen un rendiment gairebé igual.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Sense un amplificador de quad ideal en un PCB, mesurar els efectes d’un sol canal amplificador pot ser difícil. Viouslybviament, un determinat canal amplificador no només molesta la seva pròpia entrada, sinó també la d’altres canals. El corrent terrestre flueix a través de totes les entrades del canal i produeix efectes diferents, però està influït per cada sortida, que es pot mesurar.

La taula 2 mostra els harmònics mesurats en altres canals sense conduir quan només es condueix un canal. El canal no impulsat mostra un petit senyal (diafonía) a la freqüència fonamental, però també produeix distorsió introduïda directament pel corrent de terra en absència de cap senyal fonamental significatiu. La disposició de baixa distorsió de la figura 6 mostra que les característiques de la distorsió harmònica total i harmònica total (THD) es milloren molt a causa de la quasi eliminació de l’efecte de corrent del sòl.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Resum d’aquest article

Simplement, en un PCB, el corrent de retrocés flueix a través de diferents condensadors de derivació (per a diferents fonts d’alimentació) i de la pròpia font d’alimentació, que és proporcional a la seva conductivitat. El corrent del senyal d’alta freqüència torna al petit condensador de derivació. Els corrents de baixa freqüència, com els dels senyals d’àudio, poden circular principalment a través de condensadors de derivació més grans. Fins i tot un corrent de freqüència inferior pot “ignorar” la capacitat de derivació completa i tornar directament al cable d’alimentació. L’aplicació específica determinarà quin camí actual és més crític. Afortunadament, és fàcil protegir tot el recorregut de corrent de terra mitjançant un punt de terra comú i un condensador de derivació de terra al costat de sortida.

La regla d’or per al disseny de PCB HF és mantenir el condensador de derivació HF el més a prop possible del pin d’alimentació empaquetat, però una comparació de la Figura 5 i la Figura 6 mostra que modificar aquesta regla per millorar les característiques de distorsió no fa molta diferència. Les característiques de distorsió millorades van ser a costa d’afegir uns 0.15 polzades de cablejat del condensador de derivació d’alta freqüència, però això va tenir poc impacte en el rendiment de resposta de CA del FHP3450. El disseny del PCB és important per maximitzar el rendiment d’un amplificador d’alta qualitat i els problemes que es discuteixen aquí no es limiten als amplificadors hf. Els senyals de freqüència inferior com l’àudio tenen requisits de distorsió molt més estrictes. L’efecte de corrent de terra és menor a freqüències baixes, però encara pot ser un problema important si es millora l’índex de distorsió requerit en conseqüència.