So reduzieren Sie harmonische Verzerrungen im PCB-Design?

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. Strom fließt vom Netzteil über den Bypass-Kondensator durch den Verstärker in die Last. Der Strom fließt dann von der Lasterdungsklemme (oder der Abschirmung des PCB-Ausgangsanschlusses) zurück zur Erdungsebene, durch den Bypass-Kondensator und zurück zur Quelle, die ursprünglich den Strom lieferte.

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Das Konzept des minimalen Strompfades durch die Impedanz ist falsch. Die Stromstärke in allen verschiedenen Impedanzpfaden ist proportional zu seiner Leitfähigkeit. 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. Der Rückflussstrom ist die eigentliche Ursache des Problems.

So reduzieren Sie harmonische Verzerrungen im PCB-Design

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. Wenn ein wesentlicher Teil einer polaren Komponente des Erdstroms durch die Masse der Eingangsschaltung fließt, wird nur diese polare Komponente des Signals gestört. 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.

So reduzieren Sie harmonische Verzerrungen im PCB-Design

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.Die Fourier-Transformation zeigt, dass die Verzerrungswellenform fast alle zweiten Harmonischen bei –68 DBC ist. 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. Wenn der Ausgang eines einzelnen Operationsverstärkers aufgrund des Erdstrompfads verzerrt ist, kann der Erdstromfluss durch Neuanordnung der Bypass-Schleife und Einhaltung des Abstands zum Eingangsgerät angepasst werden, wie in Abbildung 4 gezeigt.

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Multiverstärker-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. Da die resultierende Störung unabhängig von der Polarität gleich ist, tritt keine Verzerrung auf, jedoch tritt eine kleine Änderung in der Verstärkung des Kanals auf, wie in Abbildung 6 gezeigt.

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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. Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, ist die Verbesserung umso besser, je stärker der Kanal verzerrt ist, so dass die Leistung der vier Kanäle nahezu gleich ist.

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Ohne einen idealen Quad-Verstärker auf einer Leiterplatte kann es schwierig sein, die Auswirkungen eines einzelnen Verstärkerkanals zu messen. Offensichtlich stört ein bestimmter Verstärkerkanal nicht nur seinen eigenen Eingang, sondern auch den Eingang anderer Kanäle. Der Erdstrom fließt durch alle verschiedenen Kanaleingänge und erzeugt unterschiedliche Effekte, wird aber von jedem Ausgang beeinflusst, was messbar ist.

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. Glücklicherweise ist es einfach, den gesamten Erdstrompfad zu schützen, indem man einen gemeinsamen Erdungspunkt und einen Erdungs-Bypass-Kondensator auf der Ausgangsseite verwendet.

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.