Ve skutečnosti, plošných spojů (PCB) jsou vyrobeny z elektrických lineárních materiálů, tj. Jejich impedance by měla být konstantní. Proč tedy PCB zavádí nelinearitu do signálu? Odpověď zní, že rozložení DPS je „prostorově nelineární“ vzhledem k místu, kde proud teče.

Zda zesilovač přijímá proud z jednoho nebo jiného zdroje, závisí na okamžité polaritě signálu na zátěži. 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. V pozemní rovině často existuje více než jedna cesta s nízkou impedancí, kterou protéká velká část zemního proudu: jedna cesta je přímo spojena s obtokovým kondenzátorem; Druhý budí vstupní odpor, dokud není dosaženo obtokového kondenzátoru. Obrázek 1 ukazuje tyto dvě cesty. The backflow current is what’s really causing the problem.

předložit

Když jsou obtokové kondenzátory umístěny na různých pozicích na desce plošných spojů, zemní proud protéká různými cestami k příslušným obtokovým kondenzátorům, což znamená „prostorová nelinearita“. 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. Pokud není narušena jiná polarita zemního proudu, napětí vstupního signálu se nelineárně změní. Když se změní jedna složka polarity, ale jiná polarita ne, dojde ke zkreslení, které se projeví jako druhé harmonické zkreslení výstupního signálu. Obrázek 2 ukazuje tento efekt zkreslení v přehnané formě.

předložit

Když je narušena pouze jedna polární složka sinusové vlny, výsledný tvar vlny již není sinusovou vlnou. Simulace ideálního zesilovače se zátěží 100 ω a vazba zatěžovacího proudu odporem 1 ω do zemního napětí pouze na jedné polaritě signálu, obrázek 3. Fourier transform shows that the distortion waveform is almost all the second harmonics at -68 DBC. Při vysokých frekvencích je tato úroveň vazby snadno generována na desce plošných spojů, která může zničit vynikající vlastnosti proti zkreslení zesilovače, aniž by se uchýlila k mnoha zvláštním nelineárním efektům desky plošných spojů. 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.

předložit

Multiamplifier chip

Problém čipů s více zesilovači (dva, tři nebo čtyři zesilovače) je umocněn neschopností udržet uzemnění obtokového kondenzátoru daleko od celého vstupu. To platí zejména pro čtyři zesilovače. Čipy se čtyřmi zesilovači mají na každé straně vstupní svorky, takže zde není prostor pro obtokové obvody, které zmírňují rušení vstupního kanálu.

předložit

Obrázek 5 ukazuje jednoduchý přístup k rozložení čtyř zesilovačů. Většina zařízení se připojuje přímo na pin čtyřnásobného zesilovače. Zemní proud jednoho napájecího zdroje může rušit vstupní zemní napětí a zemnící proud druhého kanálového napájecího zdroje, což má za následek zkreslení. Například obtokový kondenzátor (+Vs) na kanálu 1 čtyřnásobného zesilovače může být umístěn přímo vedle jeho vstupu; Obtokový kondenzátor (-Vs) může být umístěn na druhé straně balení. Zemní proud (+Vs) může rušit kanál 1, zatímco zemní proud (-vs) nemusí.

předložit

Abyste se tomuto problému vyhnuli, nechte zemní proud narušit vstup, ale nechte proud PCB proudit prostorově lineárně. Aby se toho dosáhlo, může být obtokový kondenzátor uspořádán na desce plošných spojů tak, že zemní proudy (+Vs) a ( – Vs) protékají stejnou cestou. Pokud je vstupní signál stejně rušen kladnými i zápornými proudy, nedojde ke zkreslení. Zarovnejte tedy dva obtokové kondenzátory vedle sebe tak, aby sdílely pozemní bod. Protože dvě polární složky zemního proudu pocházejí ze stejného bodu (stínění výstupního konektoru nebo zátěžová zem) a oba proudí zpět do stejného bodu (společné zemní spojení obtokového kondenzátoru), protéká kladný/záporný proud stejnou cestu. Pokud je vstupní odpor kanálu narušen proudem (+Vs), proud ( – Vs) na něj má stejný účinek. 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.

předložit

K ověření výše uvedených závěrů byla použita dvě různá rozvržení DPS: jednoduché rozložení (obrázek 5) a rozložení s nízkým zkreslením (obrázek 6). Zkreslení způsobené čtyřoperačním zesilovačem FHP3450 využívajícím polovodič Fairchild je uvedeno v tabulce 1. Typická šířka pásma FHP3450 je 210 MHz, sklon je 1100 V/us, vstupní předpětí je 100 nA a provozní proud na kanál je 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.

předložit

Without an ideal quad amplifier on a PCB, measuring the effects of a single amplifier channel can be difficult. Je zřejmé, že daný kanál zesilovače ruší nejen jeho vlastní vstup, ale také vstup jiných kanálů. The earth current flows through all the different channel inputs and produces different effects, but is influenced by each output, which is measurable.

Tabulka 2 ukazuje harmonické naměřené na jiných kanálech bez proudu, když je poháněn pouze jeden kanál. Kanál bez signálu zobrazuje malý signál (přeslech) na základní frekvenci, ale také produkuje zkreslení přímo zavedené zemním proudem v nepřítomnosti jakéhokoli významného základního signálu. Rozložení s nízkým zkreslením na obrázku 6 ukazuje, že charakteristiky druhého harmonického a celkového harmonického zkreslení (THD) se výrazně zlepšily díky téměř eliminaci efektu zemního proudu.

předložit

Shrnutí tohoto článku

Jednoduše řečeno, na desce plošných spojů protéká zpětný proud různými obtokovými kondenzátory (pro různé napájecí zdroje) a samotným napájením, které je úměrné jeho vodivosti. Proud vysokofrekvenčního signálu proudí zpět do malého obtokového kondenzátoru. Nízkofrekvenční proudy, jako jsou zvukové signály, mohou protékat primárně většími obtokovými kondenzátory. I proud s nižší frekvencí může „ignorovat“ plnou kapacitu bypassu a proudit přímo zpět do napájecího kabelu. Konkrétní aplikace určí, která aktuální cesta je nejkritičtější. 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.

Zlatým pravidlem pro rozložení HF PCB je udržet VF bypass kondenzátor co nejblíže zabalenému napájecímu pinu, ale srovnání obrázku 5 a obrázku 6 ukazuje, že úpravou tohoto pravidla ke zlepšení charakteristik zkreslení není velký rozdíl. Vylepšené charakteristiky zkreslení byly na úkor přidání asi 0.15 palce vysokofrekvenčního bypassového kondenzátorového zapojení, ale to mělo malý dopad na výkon střídavé odezvy FHP3450. Rozložení desky plošných spojů je důležité pro maximalizaci výkonu vysoce kvalitního zesilovače a zde diskutované problémy se neomezují pouze na vysokofrekvenční zesilovače. Signály s nižší frekvencí, jako je zvuk, mají mnohem přísnější požadavky na zkreslení. Účinek zemního proudu je při nízkých frekvencích menší, ale stále může být důležitým problémem, pokud se odpovídajícím způsobem zlepší požadovaný index zkreslení.