I virkeligheden, printkort (PCB) are made of electrical linear materials, i.e. their impedance should be constant. Så hvorfor introducerer et printkort ikke -linearitet i et signal? Svaret er, at PCB-layoutet er “rumligt ikke-lineært” i forhold til, hvor strømmen flyder.

Om forstærkeren modtager strøm fra en eller anden kilde afhænger af den øjeblikkelige polaritet af signalet på belastningen. 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 a ground plane, there is often more than one low-impedance path through which a large proportion of ground current flows: one path is directly connected to the bypass capacitor; Den anden ophidser inputmodstanden, indtil bypass -kondensatoren er nået. Figur 1 illustrerer disse to stier. The backflow current is what’s really causing the problem.

indsende

Når bypass -kondensatorerne er placeret på forskellige positioner på printkortet, strømmer jordstrømmen gennem forskellige veje til de respektive bypass -kondensatorer, hvilket er betydningen af ​​”rumlig ikke -linearitet”. 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. If the other polarity of the ground current is not disturbed, the input signal voltage changes in a nonlinear manner. Når en polaritetskomponent ændres, men den anden polaritet ikke er det, opstår forvrængning og manifesteres som den anden harmoniske forvrængning af udgangssignalet. Figur 2 viser denne forvrængningseffekt i overdreven form.

indsende

Når kun en polær komponent i sinusbølgen forstyrres, er den resulterende bølgeform ikke længere en sinusbølge. Simulering af en ideel forstærker med en 100-ω belastning og kobling af belastningsstrømmen gennem en 1-ω modstand til jordspændingen på kun én polaritet af signalet, resulterer i figur 3. Fourier transform shows that the distortion waveform is almost all the second harmonics at -68 DBC. Ved høje frekvenser genereres dette koblingsniveau let på et printkort, hvilket kan ødelægge de fremragende anti-forvrængningskarakteristika for en forstærker uden at ty til meget af de særlige ikke-lineære effekter af et printkort. 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.

indsende

Multiamplifier chip

The problem of multi-amplifier chips (two, three, or four amplifiers) is compounded by the inability to keep the ground connection of the bypass capacitor far from the entire input. Dette gælder især for fire forstærkere. Quad-forstærkerchips har inputterminaler på hver side, så der er ikke plads til bypass-kredsløb, der dæmper forstyrrelser i inputkanalen.

indsende

Figur 5 viser en enkel tilgang til et layout med fire forstærkere. De fleste enheder tilsluttes direkte til en quad -forstærker -pin. Jordstrømmen på den ene strømforsyning kan forstyrre indgangsspændingen og jordstrømmen på den anden kanals strømforsyning, hvilket resulterer i forvrængning. For eksempel kan (+Vs) bypass -kondensatoren på kanal 1 i quadforstærkeren placeres direkte ved siden af ​​dens input; Bypass-kondensatoren (-Vs) kan placeres på den anden side af pakken. Jordstrømmen (+Vs) kan forstyrre kanal 1, mens (-vs) jordstrømmen muligvis ikke er det.

indsende

For at undgå dette problem, lad jordstrømmen forstyrre input, men lad PCB -strømmen flyde i en rumligt lineær måde. To achieve this, the bypass capacitor can be arranged on the PCB in such a way that the (+Vs) and (– Vs) ground currents flow through the same path. If the input signal is equally disturbed by positive and negative currents, distortion will not occur. Juster derfor de to bypass -kondensatorer ved siden af ​​hinanden, så de deler et jordpunkt. Fordi de to polære komponenter i jordstrømmen kommer fra det samme punkt (udgangsstikets afskærmning eller belastningsjorden) og begge flyder tilbage til det samme punkt (bypass -kondensatorens almindelige jordforbindelse), strømmer den positive/negative strøm igennem samme vej. Hvis en kanals inputmodstand forstyrres af (+Vs) strøm, har ( – Vs) strøm den samme effekt på den. 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.

indsende

For at verificere ovenstående inferens blev der brugt to forskellige PCB-layouts: et enkelt layout (figur 5) og et layout med lav forvrængning (figur 6). Forvrængningen produceret af FHP3450 firdriftsforstærker ved hjælp af fairchild halvleder er vist i tabel 1. Den typiske båndbredde for FHP3450 er 210MHz, hældningen er 1100V/us, input bias strøm er 100nA, og driftsstrømmen pr. Kanal er 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.

indsende

Without an ideal quad amplifier on a PCB, measuring the effects of a single amplifier channel can be difficult. Det er klart, at en given forstærkerkanal ikke kun forstyrrer sit eget input, men også input fra andre kanaler. The earth current flows through all the different channel inputs and produces different effects, but is influenced by each output, which is measurable.

Tabel 2 viser de harmoniske målinger på andre ikke -drevne kanaler, når der kun drives en kanal. Den udrevne kanal viser et lille signal (krydstale) ved grundfrekvensen, men producerer også forvrængning direkte indført af jordstrømmen i fravær af et væsentligt grundlæggende signal. Layoutet med lav forvrængning i figur 6 viser, at den anden harmoniske og totale harmoniske forvrængning (THD) egenskaber er stærkt forbedret på grund af nær eliminering af jordstrømseffekten.

indsende

Denne artikels opsummering

Simply put, on a PCB, the backflow current flows through different bypass capacitors (for different power supplies) and the power supply itself, which is proportional to its conductivity. Højfrekvent signalstrøm strømmer tilbage til den lille bypass-kondensator. Lavfrekvente strømme, som f.eks. Lydsignaler, kan primært strømme gennem større bypass-kondensatorer. Selv en lavere frekvensstrøm kan “se bort fra” fuld bypass -kapacitans og strømme direkte tilbage til strømkablet. Den specifikke applikation bestemmer, hvilken nuværende sti der er mest kritisk. 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.

Den gyldne regel for HF PCB -layout er at holde HF -bypass -kondensatoren så tæt på den emballerede strømstift som muligt, men en sammenligning af figur 5 og figur 6 viser, at ændring af denne regel for at forbedre forvrængningskarakteristika ikke gør den store forskel. De forbedrede forvrængningskarakteristika kom på bekostning af tilføjelse af ca. 0.15 tommer højfrekvente bypass-kondensatorledninger, men dette havde ringe indflydelse på AC-responsydelsen for FHP3450. PCB-layout er vigtigt for at maksimere ydelsen af ​​en forstærker af høj kvalitet, og de spørgsmål, der diskuteres her, er ikke begrænset til hf-forstærkere. Lavere frekvenssignaler såsom lyd har meget strengere forvrængningskrav. The ground current effect is smaller at low frequencies, but it may still be an important problem if the required distortion index is improved accordingly.