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. Proud teče z napájecího zdroje, přes obtokový kondenzátor, přes zesilovač do zátěže. Proud pak putuje ze svorky zemnicí zátěže (nebo stínění výstupního konektoru desky plošných spojů) zpět do zemnící roviny, přes bypassový kondenzátor a zpět ke zdroji, který proud původně dodával.

Koncept minimální dráhy proudu přes impedanci je nesprávný. Množství proudu ve všech různých impedančních cestách je úměrné jeho vodivosti. 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. Zpětný proud je to, co skutečně způsobuje problém.

Jak snížit harmonické zkreslení v návrhu DPS

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“. Pokud značná část polární složky zemního proudu protéká zemí vstupního obvodu, je narušena pouze tato polární složka signálu. 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.

Jak snížit harmonické zkreslení v návrhu DPS

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.Fourierova transformace ukazuje, že průběh zkreslení je téměř všechny druhé harmonické při -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. Je -li výstup jednoho operačního zesilovače zkreslený v důsledku dráhy zemního proudu, lze tok zemního proudu upravit přestavením obtokové smyčky a udržováním vzdálenosti od vstupního zařízení, jak je znázorněno na obrázku 4.

Jak snížit harmonické zkreslení v návrhu DPS

Čip s více zesilovači

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.

Jak snížit harmonické zkreslení v návrhu DPS

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.

Jak snížit harmonické zkreslení v návrhu DPS

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. Protože výsledné rušení je stejné bez ohledu na polaritu, nedochází ke zkreslení, ale dojde k malé změně zesílení kanálu, jak ukazuje obrázek 6.

Jak snížit harmonické zkreslení v návrhu DPS

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. Jak je vidět z tabulky 1, čím více je kanál zkreslený, tím lepší je zlepšení, takže výkonnost všech čtyř kanálů je téměř stejná.

Jak snížit harmonické zkreslení v návrhu DPS

Bez ideálního čtyřnásobného zesilovače na desce plošných spojů může být měření efektů jednoho kanálu zesilovače obtížné. Je zřejmé, že daný kanál zesilovače ruší nejen jeho vlastní vstup, ale také vstup jiných kanálů. Zemní proud protéká všemi různými kanálovými vstupy a vytváří různé efekty, ale je ovlivněn každým výstupem, který je měřitelný.

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.

Jak snížit harmonické zkreslení v návrhu DPS

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. Naštěstí je snadné chránit celou dráhu zemního proudu pomocí společného uzemňovacího bodu a kondenzátoru zemního bypassu na výstupní straně.

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.