In fattu, tavulatu di circuitu stampatu (PCB) sò fatti di materiali lineari elettrichi, cioè a so impedenza deve esse costante. Allora perchè un PCB introduce a non linearità in un signale? A risposta hè chì u schema di PCB hè “spazialmente micca lineare” relative à induve u flussu attuale.

Se l’amplificatore ricevi corrente da una fonte o un’altra dipende da a polarità istantanea di u signale nantu à a carica. Current flows from the power supply, through the bypass capacitor, through the amplifier into the load. 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. In un pianu di terra, ci hè spessu più di un percorsu à bassa impedanza attraversu chì una grande proporzione di corrente di terra scorre: un percorsu hè direttamente cunnessu à u condensatore di bypass; L’altru ecciteghja a resistenza d’entrata finu à chì u condensatore di bypass hè ghjuntu. A Figura 1 illustra sti dui percorsi. The backflow current is what’s really causing the problem.

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Quandu i condensatori di bypass sò posti in diverse pusizioni nantu à u PCB, u currente di terra scorri attraversu percorsi diversi versu i rispettivi condensatori di bypass, chì hè u significatu di “nonlinearità spaziale”. 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. Se l’altra polarità di a corrente di terra ùn hè micca disturbata, a tensione di u segnale d’entrata cambia in modu non lineare. Quandu una cumpunente di polarità hè cambiata ma l’altra polarità ùn hè micca, si produce una distorsione è si manifesta cum’è a seconda distorsione armonica di u signale di uscita. A Figura 2 mostra questu effettu di distorsione in forma esagerata.

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Quandu una sola cumpunente polare di l’onda sinusoidale hè disturbata, a forma d’onda risultante ùn hè più una onda sinusoidale. Simulendu un amplificatore ideale cù una carica di 100 ω è accoppendu a corrente di carica attraversu una resistenza 1-ω in a tensione di terra nantu à una sola polarità di u signale, risultati in a figura 3. Fourier transform shows that the distortion waveform is almost all the second harmonics at -68 DBC. À alte frequenze, stu livellu di accoppiamentu hè facilmente generatu nantu à un PCB, chì pò distrughje e eccellenti caratteristiche anti-distorsione di un amplificatore senza ricorre à gran parte di l’effetti non lineari speciali di un PCB. 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.

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Multiamplifier chip

U prublema di i chips multiamplificatori (dui, trè o quattru amplificatori) hè aggravatu da l’incapacità di mantene a cunnessione in terra di u condensatore bypass luntanu da tuttu l’ingressu. Hè soprattuttu veru per quattru amplificatori. I chips Quad-amplifier anu terminali d’entrata da ogni latu, dunque ùn ci hè spaziu per circuiti di bypass chì mitiganu u disturbu à u canale d’entrata.

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A Figura 5 mostra un approcciu simplice à un schema di quattru amplificatori. A maiò parte di i dispositivi si cunnettanu direttamente à un quad amplificatore pin. A corrente di terra di una alimentazione pò disturbà a tensione di terra in entrata è a corrente di terra di l’altru alimentazione di u canale, dendu à a distorsione. Per esempiu, u condensatore di bypass (+ Vs) nantu à u canale 1 di u quad amplificatore pò esse piazzatu direttamente adiacente à u so input; U condensatore di bypass (-Vs) pò esse piazzatu da l’altra parte di u pacchettu. U currente di terra (+ Vs) pò disturbà u canale 1, mentre chì (-vs) a corrente di terra ùn pò micca.

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Per evità stu prublema, lasciate chì u currente di terra perturbe l’input, ma lasciate chì u currente di u PCB flussi in una manera spazialmente lineare. Per ghjunghje, u condensatore di bypass pò esse dispostu nantu à u PCB in modu tale chì i currenti di terra (+ Vs) è (- Vs) scorrinu per u listessu percorsu. Se u signale d’ingressu hè altrimente disturbatu da i currenti pusitivi è negativi, a distorsione ùn accadrà micca. Dunque, allineate i dui condensatori di bypass accantu à l’altru in modu chì spartinu un puntu di terra. Perchè i dui cumpunenti polari di a corrente terrestre venenu da u listessu puntu (u schermu di u connettore di uscita o a terra di carica) è tramindui tornanu à u listessu puntu (a cunnessione di terra cumuna di u condensatore di bypass), u currente pusitivu / negativu attraversa a stessa strada. Se a resistenza di ingressu di un canale hè disturbata da (+ Vs) attuale, (- Vs) attuale hà u listessu effetti nantu à questu. 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.

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Per verificà l’inferenza sopra, dui schemi PCB diffirenti sò stati utilizati: un schema simplice (Figura 5) è un schema à bassa distorsione (Figura 6). A distorsione prodotta da l’amplificatore quad-operativu FHP3450 cù semiconduttore fairchild hè mostrata in a tavula 1. A larghezza di banda tipica di u FHP3450 hè 210MHz, a pendenza hè 1100V / us, u currente di preghjudiziu d’entrata hè 100nA, è a corrente operativa per canale hè 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.

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Without an ideal quad amplifier on a PCB, measuring the effects of a single amplifier channel can be difficult. Ovviamente, un determinatu canale di amplificatore disturba micca solu u so propiu input, ma ancu l’ingressu di altri canali. The earth current flows through all the different channel inputs and produces different effects, but is influenced by each output, which is measurable.

A Tabella 2 mostra l’armoniche misurate nantu à altri canali micca guidati quandu solu un canale hè guidatu. U canali micca cunduttu mostra un picculu signale (crosstalk) à a frequenza fundamentale, ma produce ancu una distorsione introdotta direttamente da a corrente terrestre in assenza di un signale fondamentale significativu. A dispusizione à bassa distorsione in a Figura 6 mostra chì a seconda caratteristica di distorsione armonica è totale di distorsione armonica (THD) hè assai migliorata per via di a quasi eliminazione di l’effettu di corrente di terra.

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Questu articulu riassuntu

Semplicemente, nantu à un PCB, u currente di ritornu scorri attraversu diversi condensatori di bypass (per diverse alimentazioni) è l’alimentazione stessa, chì hè proporzionale à a so conducibilità. U currente di u segnale à alta frequenza torna à u picculu condensatore di bypass. I currenti à bassa frequenza, cum’è quelli di i signali audio, ponu flussu principalmente attraversu condensatori di bypass più grandi. Ancu un currente di frequenza più bassu pò “ignurà” a capacità di bypass cumpletu è flussu direttamente torna à u cavu di putenza. L’applicazione specifica determinerà quale strada attuale hè più critica. 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.

A regula d’oru per u layout di PCB HF hè di mantene u condensatore di derivazione HF u più vicinu à u pin di putenza imballatu, ma un paragone di a Figura 5 è a Figura 6 mostra chì mudificà sta regula per migliurà e caratteristiche di distorsione ùn face micca una grande differenza. E caratteristiche di distorsione migliorate sò venute à spese di aghjunghje circa 0.15 pollici di cablaggio di condensatore di bypass à alta frequenza, ma questu hà avutu pocu impattu nantu à e prestazioni di risposta AC di u FHP3450. U layout di PCB hè impurtante per maximizà e prestazioni di un amplificatore di alta qualità, è i prublemi discututi quì ùn sò micca limitati à amplificatori hf. I segnali di frequenza inferiore cume l’audio anu esigenze di distorsione assai più strette. L’effettu di corrente di terra hè più chjucu à basse frequenze, ma pò ancu esse un prublema impurtante se l’indice di distorsione richiestu hè migliuratu di conseguenza.