I virkeligheden, printkort (PCB) er lavet af elektriske lineære materialer, dvs. deres impedans skal være konstant. 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. Strøm strømmer fra strømforsyningen, gennem bypass -kondensatoren, gennem forstærkeren ind i belastningen. Strømmen bevæger sig derefter fra lastjordterminalen (eller afskærmning af PCB -udgangsstikket) tilbage til jordplanet, gennem bypass -kondensatoren og tilbage til den kilde, der oprindeligt leverede strømmen.

Begrebet minimumsstrøm for strøm gennem impedans er forkert. Mængden af ​​strøm i alle forskellige impedansveje er proportional med dens ledningsevne. I et jordplan er der ofte mere end en lavimpedanssti, hvorigennem en stor del af jordstrømmen strømmer: en vej er direkte forbundet til bypass-kondensatoren; Den anden ophidser inputmodstanden, indtil bypass -kondensatoren er nået. Figur 1 illustrerer disse to stier. Tilbagestrømningsstrømmen er det, der virkelig forårsager problemet.

Sådan reduceres harmonisk forvrængning i PCB -design

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”. Hvis en væsentlig del af en polær komponent af jordstrømmen strømmer gennem inputkredsløbets jord, forstyrres kun den polære komponent i signalet. Hvis den anden polaritet af jordstrømmen ikke forstyrres, ændres indgangssignalets spænding på en ikke -lineær måde. 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.

Sådan reduceres harmonisk forvrængning i PCB -design

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.Fouriertransform viser, at forvrængningsbølgeformen næsten er den anden harmoniske ved -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. Når output fra en enkelt operationsforstærker er forvrænget på grund af jordstrømbanen, kan jordstrømmen justeres ved at omarrangere bypass -sløjfen og opretholde afstanden fra inputenheden, som vist i figur 4.

Sådan reduceres harmonisk forvrængning i PCB -design

Multiforstærkerchip

Problemet med flerforstærkerchips (to, tre eller fire forstærkere) forstærkes af manglende evne til at holde bypass-kondensatorens jordforbindelse langt fra hele 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.

Sådan reduceres harmonisk forvrængning i PCB -design

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.

Sådan reduceres harmonisk forvrængning i PCB -design

For at undgå dette problem, lad jordstrømmen forstyrre input, men lad PCB -strømmen flyde i en rumligt lineær måde. For at opnå dette kan bypass -kondensatoren arrangeres på printkortet på en sådan måde, at (+Vs) og ( – Vs) jordstrømmene strømmer gennem den samme vej. Hvis indgangssignalet forstyrres lige så meget af positive som negative strømme, vil der ikke opstå forvrængning. 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. Fordi den resulterende forstyrrelse er den samme uanset polariteten, er der ingen forvrængning, men der vil forekomme en lille ændring i kanalens forstærkning, som vist i figur 6.

Sådan reduceres harmonisk forvrængning i PCB -design

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. Som det ses af tabel 1, jo mere forvrænget kanalen, jo bedre er forbedringen, så de fire kanaler er næsten ens i ydeevne.

Sådan reduceres harmonisk forvrængning i PCB -design

Uden en ideel quad -forstærker på et printkort kan det være svært at måle virkningerne af en enkelt forstærkerkanal. Det er klart, at en given forstærkerkanal ikke kun forstyrrer sit eget input, men også input fra andre kanaler. Jordstrømmen strømmer gennem alle de forskellige kanalindgange og frembringer forskellige effekter, men påvirkes af hvert output, hvilket er målbart.

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.

Sådan reduceres harmonisk forvrængning i PCB -design

Denne artikels opsummering

Kort sagt, på et printkort strømmer tilbagestrømningsstrømmen gennem forskellige bypass -kondensatorer (til forskellige strømforsyninger) og selve strømforsyningen, som er proportional med dens ledningsevne. 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. Heldigvis er det let at beskytte hele jordstrømbanen ved at bruge et fælles jordpunkt og en jordbypass -kondensator på udgangssiden.

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. Jordstrømseffekten er mindre ved lave frekvenser, men det kan stadig være et vigtigt problem, hvis det nødvendige forvrængningsindeks forbedres i overensstemmelse hermed.