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. Flussu di corrente da l’alimentazione elettrica, attraversu u condensatore di bypass, attraversu l’amplificatore in a carica. U currente poi viaghja da u terminale di terra di carica (o schermatura di u connettore di uscita PCB) torna à u pianu di terra, attraversu u condensatore di bypass, è torna à a fonte chì urigginariamente furnisce u corrente.

U cuncettu di percorsu minimu di corrente attraversu impedenza hè incorrettu. A quantità di corrente in tutti i sfarenti percorsi di impedenza hè prupurziunale à a so cunduttività. 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. U currente di rifluenza hè ciò chì face veramente u prublema.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

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”. Se una parte significativa di una cumpunente polare di u currente terrestre attraversa u terrenu di u circuitu d’entrata, solu quella cumpunente polare di u signale hè disturbata. 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.A trasfurmata di Fourier mostra chì a forma d’onda di distorsione hè guasi tutte e siconde armoniche à -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. Quandu l’uscita di un unicu amplificatore operativu hè distorta à causa di u percorsu di corrente di terra, u flussu di corrente di terra pò esse regolatu riorganizendu u ciclu di bypass è mantenendu a distanza da u dispositivu d’entrata, cum’è mostratu in a Figura 4.

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Chip multiamplificatore

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. Perchè u disturbu resultante hè u listessu indipendentemente da a polarità, ùn ci hè micca distorsione, ma un picculu cambiamentu in u guadagnu di u canale si produrrà, cum’è mostratu in a Figura 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. Cumu si pò vede da u Table 1, u più distortu u canali, u migliore hè u miglioramentu, in modu chì i quattru canali sò quasi uguali in prestazioni.

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Senza un quad amplificatore ideale nantu à un PCB, misurà l’effetti di un canali di amplificatore unicu pò esse difficiule. Ovviamente, un determinatu canale di amplificatore disturba micca solu u so propiu input, ma ancu l’ingressu di altri canali. A corrente terrestre attraversa tutti i diversi input di canali è produce effetti diversi, ma hè influenzata da ogni uscita, chì hè misurabile.

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. Fortunatamente, hè faciule di prutege tuttu u percorsu di corrente in terra aduprendu un puntu di terra cumunu è un condensatore di derivazione di terra in u latu di uscita.

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.