In der Tat Leiterplatte (PCB) bestehen aus elektrisch linearen Materialien, dh ihre Impedanz sollte konstant sein. Warum bringt eine Leiterplatte Nichtlinearität in ein Signal ein? Die Antwort ist, dass das PCB-Layout relativ zum Stromfluss „räumlich nichtlinear“ ist.

Ob der Verstärker Strom von der einen oder anderen Quelle erhält, hängt von der momentanen Polarität des Signals an der Last ab. 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 einer Masseebene gibt es oft mehr als einen niederohmigen Pfad, durch den ein großer Teil des Erdstroms fließt: ein Pfad ist direkt mit dem Bypass-Kondensator verbunden; Der andere erregt den Eingangswiderstand, bis der Bypass-Kondensator erreicht ist. Abbildung 1 veranschaulicht diese beiden Pfade. The backflow current is what’s really causing the problem.

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Wenn die Bypass-Kondensatoren an verschiedenen Positionen auf der Leiterplatte platziert werden, fließt der Erdstrom über verschiedene Pfade zu den jeweiligen Bypass-Kondensatoren, was die Bedeutung von „räumlicher Nichtlinearität“ ist. 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. Wird die andere Polarität des Erdstroms nicht gestört, ändert sich die Eingangssignalspannung nichtlinear. Wenn eine Polaritätskomponente geändert wird, die andere Polarität jedoch nicht, tritt eine Verzerrung auf und manifestiert sich als die zweite harmonische Verzerrung des Ausgangssignals. Abbildung 2 zeigt diesen Verzerrungseffekt in übertriebener Form.

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Wenn nur eine polare Komponente der Sinuswelle gestört ist, ist die resultierende Wellenform keine Sinuswelle mehr. Die Simulation eines idealen Verstärkers mit einer 100-ω-Last und die Einkopplung des Laststroms über einen 1-ω-Widerstand in die Massespannung an nur einer Polarität des Signals ergibt Abbildung 3. Fourier transform shows that the distortion waveform is almost all the second harmonics at -68 DBC. Bei hohen Frequenzen wird dieser Kopplungspegel leicht auf einer Leiterplatte erzeugt, was die hervorragenden Anti-Verzerrungseigenschaften eines Verstärkers zerstören kann, ohne auf viele der speziellen nichtlinearen Effekte einer Leiterplatte zurückgreifen zu müssen. 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.

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Multiamplifier chip

Das Problem von Multi-Verstärker-Chips (zwei, drei oder vier Verstärker) wird durch die Unfähigkeit verschärft, die Masseverbindung des Bypass-Kondensators vom gesamten Eingang fernzuhalten. Dies gilt insbesondere für vier Verstärker. Quad-Amplifier-Chips haben auf jeder Seite Eingangsanschlüsse, so dass kein Platz für Bypass-Schaltungen ist, die Störungen des Eingangskanals mindern.

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Abbildung 5 zeigt einen einfachen Ansatz für ein Layout mit vier Verstärkern. Die meisten Geräte werden direkt an einen Quad-Verstärker-Pin angeschlossen. Der Massestrom eines Netzteils kann die Eingangsmassespannung und den Massestrom des anderen Kanalnetzteils stören, was zu Verzerrungen führen kann. Beispielsweise kann der (+Vs) Bypass-Kondensator auf Kanal 1 des Quad-Verstärkers direkt neben seinem Eingang platziert werden; Der (-Vs) Bypass-Kondensator kann auf der anderen Seite des Gehäuses platziert werden. Der Massestrom (+Vs) kann Kanal 1 stören, der Massestrom (-Vs) nicht.

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Um dieses Problem zu vermeiden, lassen Sie den Erdstrom den Eingang stören, aber lassen Sie den PCB-Strom räumlich linear fließen. Um dies zu erreichen, kann der Bypass-Kondensator auf der Leiterplatte so angeordnet werden, dass die Masseströme (+Vs) und (–Vs) über den gleichen Pfad fließen. Wenn das Eingangssignal gleichermaßen durch positive und negative Ströme gestört wird, treten keine Verzerrungen auf. Richten Sie daher die beiden Bypass-Kondensatoren so nebeneinander aus, dass sie einen gemeinsamen Massepunkt haben. Da die beiden polaren Komponenten des Erdstroms vom gleichen Punkt (der Abschirmung des Ausgangssteckers oder der Lastmasse) kommen und beide zum gleichen Punkt (dem gemeinsamen Masseanschluss des Bypass-Kondensators) zurückfließen, fließt der positive/negative Strom durch der gleiche Weg. Wird der Eingangswiderstand eines Kanals durch (+Vs) Strom gestört, hat (–Vs) Strom die gleiche Wirkung darauf. 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.

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Um die obige Schlussfolgerung zu überprüfen, wurden zwei verschiedene PCB-Layouts verwendet: ein einfaches Layout (Abbildung 5) und ein verzerrungsarmes Layout (Abbildung 6). Die vom FHP3450-Quad-Operationsverstärker mit Fairchild-Halbleitern erzeugte Verzerrung ist in Tabelle 1 aufgeführt 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.

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Without an ideal quad amplifier on a PCB, measuring the effects of a single amplifier channel can be difficult. Offensichtlich stört ein bestimmter Verstärkerkanal nicht nur seinen eigenen Eingang, sondern auch den Eingang anderer Kanäle. The earth current flows through all the different channel inputs and produces different effects, but is influenced by each output, which is measurable.

Tabelle 2 zeigt die an anderen nicht angesteuerten Kanälen gemessenen Oberwellen, wenn nur ein Kanal angesteuert wird. Der nicht angesteuerte Kanal zeigt ein kleines Signal (Übersprechen) bei der Grundfrequenz an, erzeugt jedoch auch Verzerrungen, die direkt durch den Erdstrom eingeführt werden, wenn kein signifikantes Grundsignal vorhanden ist. Das verzerrungsarme Layout in Abbildung 6 zeigt, dass die Eigenschaften der zweiten Harmonischen und der gesamten harmonischen Verzerrung (THD) aufgrund der nahezu Eliminierung des Erdstromeffekts stark verbessert werden.

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Diese Artikelzusammenfassung

Einfach ausgedrückt fließt der Rückflussstrom auf einer Leiterplatte durch verschiedene Bypass-Kondensatoren (für verschiedene Netzteile) und das Netzteil selbst, das proportional zu seiner Leitfähigkeit ist. Der hochfrequente Signalstrom fließt zurück zum kleinen Bypass-Kondensator. Niederfrequente Ströme, beispielsweise von Audiosignalen, können hauptsächlich durch größere Bypass-Kondensatoren fließen. Sogar ein Strom mit niedrigerer Frequenz kann die volle Bypass-Kapazität „vernachlässigen“ und direkt zum Stromkabel zurückfließen. Die spezifische Anwendung bestimmt, welcher Strompfad am kritischsten ist. 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.

Die goldene Regel für das HF-Leiterplatten-Layout besteht darin, den HF-Bypass-Kondensator so nah wie möglich am Power-Pin des Gehäuses zu halten, aber ein Vergleich von Abbildung 5 und Abbildung 6 zeigt, dass eine Änderung dieser Regel zur Verbesserung der Verzerrungseigenschaften keinen großen Unterschied macht. Die verbesserten Verzerrungseigenschaften wurden durch das Hinzufügen von etwa 0.15 Zoll Hochfrequenz-Bypass-Kondensatorverkabelung erkauft, aber dies hatte nur geringe Auswirkungen auf die AC-Reaktionsleistung des FHP3450. Das PCB-Layout ist wichtig, um die Leistung eines hochwertigen Verstärkers zu maximieren, und die hier diskutierten Probleme sind nicht auf HF-Verstärker beschränkt. Signale mit niedrigerer Frequenz, wie z. B. Audio, haben viel strengere Anforderungen an die Verzerrung. Der Erdstromeffekt ist bei niedrigen Frequenzen geringer, kann aber dennoch ein wichtiges Problem darstellen, wenn der erforderliche Verzerrungsindex entsprechend verbessert wird.