Στην πραγματικότητα, τυπωμένου κυκλώματος (PCB) είναι κατασκευασμένα από ηλεκτρικά γραμμικά υλικά, δηλαδή η αντίσταση τους πρέπει να είναι σταθερή. Γιατί λοιπόν ένα PCB εισάγει τη μη γραμμικότητα σε ένα σήμα; Η απάντηση είναι ότι η διάταξη PCB είναι “χωρικά μη γραμμική” σε σχέση με το πού ρέει το ρεύμα.

Το αν ο ενισχυτής λαμβάνει ρεύμα από τη μία ή την άλλη πηγή εξαρτάται από τη στιγμιαία πολικότητα του σήματος στο φορτίο. Το ρεύμα ρέει από την τροφοδοσία, μέσω του πυκνωτή παράκαμψης, μέσω του ενισχυτή στο φορτίο. Το ρεύμα μεταφέρεται στη συνέχεια από τον ακροδέκτη γείωσης φορτίου (ή θωράκιση του συνδετήρα εξόδου PCB) πίσω στο επίπεδο γείωσης, μέσω του πυκνωτή παράκαμψης και πίσω στην πηγή που τροφοδοτούσε αρχικά το ρεύμα.

Η έννοια της ελάχιστης διαδρομής ρεύματος μέσω σύνθετης αντίστασης είναι λανθασμένη. Η ποσότητα του ρεύματος σε όλες τις διαφορετικές διαδρομές σύνθετης αντίστασης είναι ανάλογη της αγωγιμότητάς του. Σε ένα επίπεδο γείωσης, υπάρχουν συχνά περισσότερες από μία διαδρομές χαμηλής σύνθετης αντίστασης μέσω των οποίων ρέει ένα μεγάλο ποσοστό ρεύματος γείωσης: μία διαδρομή συνδέεται άμεσα με τον πυκνωτή παράκαμψης. Το άλλο διεγείρει την αντίσταση εισόδου έως ότου επιτευχθεί ο πυκνωτής παράκαμψης. Το σχήμα 1 απεικονίζει αυτές τις δύο διαδρομές. Το ρεύμα αντίστροφης ροής είναι αυτό που προκαλεί πραγματικά το πρόβλημα.

Πώς να μειώσετε την αρμονική παραμόρφωση στο σχεδιασμό PCB

Όταν οι πυκνωτές παράκαμψης τοποθετούνται σε διαφορετικές θέσεις στο PCB, το ρεύμα γείωσης ρέει μέσω διαφορετικών διαδρομών στους αντίστοιχους πυκνωτές παράκαμψης, πράγμα που σημαίνει “χωρική μη γραμμικότητα”. Εάν ένα σημαντικό τμήμα ενός πολικού συστατικού του ρεύματος γείωσης ρέει μέσω της γείωσης του κυκλώματος εισόδου, διαταράσσεται μόνο αυτό το πολικό στοιχείο του σήματος. Εάν η άλλη πολικότητα του ρεύματος γείωσης δεν διαταραχθεί, η τάση του σήματος εισόδου αλλάζει με μη γραμμικό τρόπο. Όταν ένα συστατικό πολικότητας αλλάζει αλλά η άλλη πολικότητα δεν αλλάζει, συμβαίνει παραμόρφωση και εκδηλώνεται ως η δεύτερη αρμονική παραμόρφωση του σήματος εξόδου. Το σχήμα 2 δείχνει αυτό το αποτέλεσμα παραμόρφωσης σε υπερβολική μορφή.

Πώς να μειώσετε την αρμονική παραμόρφωση στο σχεδιασμό PCB

Όταν διαταράσσεται μόνο ένα πολικό συστατικό του ημιτονοειδούς κύματος, η προκύπτουσα κυματομορφή δεν είναι πλέον ημιτονοειδές κύμα. Η προσομοίωση ενός ιδανικού ενισχυτή με φορτίο 100 ω και η σύζευξη του ρεύματος φορτίου μέσω μιας αντίστασης 1 ω στην τάση γείωσης σε μία μόνο πολικότητα του σήματος, έχει ως αποτέλεσμα το σχήμα 3.Ο μετασχηματισμός Fourier δείχνει ότι η κυματομορφή παραμόρφωσης είναι σχεδόν όλες οι δεύτερες αρμονικές σε -68 DBC. Σε υψηλές συχνότητες, αυτό το επίπεδο σύζευξης δημιουργείται εύκολα σε ένα PCB, το οποίο μπορεί να καταστρέψει τα εξαιρετικά χαρακτηριστικά αντιστρέβλωσης ενός ενισχυτή χωρίς να καταφύγει σε πολλά από τα ειδικά μη γραμμικά αποτελέσματα ενός PCB. Όταν η έξοδος ενός μόνο ενισχυτή λειτουργίας παραμορφώνεται λόγω της διαδρομής ρεύματος γείωσης, η ροή ρεύματος γείωσης μπορεί να ρυθμιστεί με αναδιάταξη του βρόχου παράκαμψης και διατήρηση της απόστασης από τη συσκευή εισόδου, όπως φαίνεται στο σχήμα 4.

Πώς να μειώσετε την αρμονική παραμόρφωση στο σχεδιασμό PCB

Τσιπ πολυενισχυτή

Το πρόβλημα των τσιπ πολλαπλών ενισχυτών (δύο, τριών ή τεσσάρων ενισχυτών) επιδεινώνεται από την αδυναμία διατήρησης της σύνδεσης γείωσης του πυκνωτή παράκαμψης μακριά από ολόκληρη την είσοδο. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για τέσσερις ενισχυτές. Τα τσιπ τεσσάρων ενισχυτών έχουν ακροδέκτες εισόδου σε κάθε πλευρά, οπότε δεν υπάρχει χώρος για κυκλώματα παράκαμψης που μετριάζουν τη διαταραχή στο κανάλι εισόδου.

Πώς να μειώσετε την αρμονική παραμόρφωση στο σχεδιασμό PCB

Το σχήμα 5 δείχνει μια απλή προσέγγιση σε μια διάταξη τεσσάρων ενισχυτών. Οι περισσότερες συσκευές συνδέονται απευθείας με έναν πείρο τετραπλού ενισχυτή. Το ρεύμα γείωσης μιας τροφοδοσίας μπορεί να διαταράξει την τάση εισόδου γείωσης και το ρεύμα γείωσης της τροφοδοσίας του άλλου καναλιού, με αποτέλεσμα την παραμόρφωση. Για παράδειγμα, ο πυκνωτής παράκαμψης (+Vs) στο κανάλι 1 του τετραπλού ενισχυτή μπορεί να τοποθετηθεί ακριβώς δίπλα στην είσοδό του. Ο πυκνωτής παράκαμψης (-Vs) μπορεί να τοποθετηθεί στην άλλη πλευρά της συσκευασίας. Το (+Vs) ρεύμα γείωσης μπορεί να διαταράξει το κανάλι 1, ενώ το (-vs) ρεύμα γείωσης όχι.

Πώς να μειώσετε την αρμονική παραμόρφωση στο σχεδιασμό PCB

Για να αποφύγετε αυτό το πρόβλημα, αφήστε το ρεύμα γείωσης να διαταράξει την είσοδο, αλλά αφήστε το ρεύμα PCB να ρέει με χωρικά γραμμικό τρόπο. Για να επιτευχθεί αυτό, ο πυκνωτής παράκαμψης μπορεί να τοποθετηθεί στο PCB με τέτοιο τρόπο ώστε τα ρεύματα γείωσης (+Vs) και ( – Vs) να ρέουν μέσω της ίδιας διαδρομής. Εάν το σήμα εισόδου διαταραχθεί εξίσου από θετικά και αρνητικά ρεύματα, δεν θα υπάρξει παραμόρφωση. Επομένως, ευθυγραμμίστε τους δύο πυκνωτές παράκαμψης ο ένας δίπλα στον άλλο, έτσι ώστε να μοιράζονται ένα σημείο γείωσης. Επειδή τα δύο πολικά συστατικά του ρεύματος γείωσης προέρχονται από το ίδιο σημείο (η θωράκιση του συνδετήρα εξόδου ή το έδαφος φορτίου) και τα δύο επιστρέφουν στο ίδιο σημείο (η κοινή σύνδεση γείωσης του πυκνωτή παράκαμψης), το θετικό/αρνητικό ρεύμα ρέει το ίδιο μονοπάτι. Εάν η αντίσταση εισόδου ενός καναλιού διαταραχθεί από ρεύμα (+Vs), το ρεύμα ( – Vs) έχει το ίδιο αποτέλεσμα σε αυτό. Επειδή η διαταραχή που προκύπτει είναι η ίδια ανεξάρτητα από την πολικότητα, δεν υπάρχει παραμόρφωση, αλλά θα συμβεί μια μικρή αλλαγή στο κέρδος του καναλιού, όπως φαίνεται στο σχήμα 6.

Πώς να μειώσετε την αρμονική παραμόρφωση στο σχεδιασμό PCB

Για την επαλήθευση του παραπάνω συμπεράσματος, χρησιμοποιήθηκαν δύο διαφορετικές διατάξεις PCB: μια απλή διάταξη (Εικόνα 5) και μια διάταξη χαμηλής παραμόρφωσης (Εικόνα 6). Η παραμόρφωση που παράγεται από τον τετραπλού λειτουργικού ενισχυτή FHP3450 χρησιμοποιώντας ημιαγωγό fairchild φαίνεται στον πίνακα 1. Το τυπικό εύρος ζώνης του FHP3450 είναι 210MHz, η κλίση είναι 1100V/us, το ρεύμα πόλωσης εισόδου είναι 100nA και το ρεύμα λειτουργίας ανά κανάλι είναι 3.6 mA Όπως φαίνεται από τον Πίνακα 1, όσο πιο παραμορφωμένο είναι το κανάλι, τόσο καλύτερη είναι η βελτίωση, έτσι ώστε τα τέσσερα κανάλια να είναι σχεδόν ίσα σε απόδοση.

Πώς να μειώσετε την αρμονική παραμόρφωση στο σχεδιασμό PCB

Χωρίς έναν ιδανικό τετραπλό ενισχυτή σε ένα PCB, η μέτρηση των αποτελεσμάτων ενός μόνο καναλιού ενισχυτή μπορεί να είναι δύσκολη. Προφανώς, ένα δεδομένο κανάλι ενισχυτή διαταράσσει όχι μόνο τη δική του είσοδο, αλλά και την είσοδο άλλων καναλιών επίσης. Το ρεύμα γης ρέει μέσω όλων των διαφορετικών εισόδων καναλιού και παράγει διαφορετικά αποτελέσματα, αλλά επηρεάζεται από κάθε έξοδο, η οποία είναι μετρήσιμη.

Ο Πίνακας 2 δείχνει τις αρμονικές που μετρούνται σε άλλα μη καύσιμα κανάλια όταν οδηγείται μόνο ένα κανάλι. Το άναρχο κανάλι εμφανίζει ένα μικρό σήμα (διασταύρωση) στη θεμελιώδη συχνότητα, αλλά παράγει επίσης παραμόρφωση που εισάγεται απευθείας από το ρεύμα της γείωσης απουσία σημαντικού θεμελιώδους σήματος. Η διάταξη χαμηλής παραμόρφωσης στο Σχήμα 6 δείχνει ότι η δεύτερη αρμονική και ολική αρμονική παραμόρφωση (THD) βελτιώνονται σημαντικά λόγω της σχεδόν εξάλειψης του φαινομένου του ρεύματος εδάφους.

Πώς να μειώσετε την αρμονική παραμόρφωση στο σχεδιασμό PCB

Σύνοψη αυτού του άρθρου

Με απλά λόγια, σε ένα PCB, το ρεύμα αντίστροφης ροής διέρχεται από διαφορετικούς πυκνωτές παράκαμψης (για διαφορετικά τροφοδοτικά) και από το ίδιο το τροφοδοτικό, το οποίο είναι ανάλογο με την αγωγιμότητά του. Το ρεύμα σήματος υψηλής συχνότητας επιστρέφει στον μικρό πυκνωτή παράκαμψης. Ρεύματα χαμηλής συχνότητας, όπως αυτά των ηχητικών σημάτων, μπορεί να ρέουν κυρίως μέσω μεγαλύτερων πυκνωτών παράκαμψης. Ακόμα και ένα ρεύμα χαμηλότερης συχνότητας μπορεί να “αγνοήσει” την πλήρη χωρητικότητα παράκαμψης και να ρέει απευθείας πίσω στο καλώδιο τροφοδοσίας. Η συγκεκριμένη εφαρμογή θα καθορίσει ποια τρέχουσα διαδρομή είναι πιο κρίσιμη. Ευτυχώς, είναι εύκολο να προστατεύσετε ολόκληρη τη διαδρομή ρεύματος γείωσης χρησιμοποιώντας ένα κοινό σημείο γείωσης και έναν πυκνωτή παράκαμψης γείωσης στην πλευρά εξόδου.

Ο χρυσός κανόνας για τη διάταξη PCB HF είναι να διατηρείται ο πυκνωτής παράκαμψης HF όσο το δυνατόν πιο κοντά στη συσκευασμένη ακίδα ισχύος, αλλά μια σύγκριση του σχήματος 5 και του σχήματος 6 δείχνει ότι η τροποποίηση αυτού του κανόνα για τη βελτίωση των χαρακτηριστικών παραμόρφωσης δεν κάνει μεγάλη διαφορά. Τα βελτιωμένα χαρακτηριστικά παραμόρφωσης ήρθαν εις βάρος της προσθήκης περίπου 0.15 ιντσών καλωδίωσης πυκνωτή παράκαμψης υψηλής συχνότητας, αλλά αυτό είχε μικρό αντίκτυπο στην απόδοση απόκρισης AC του FHP3450. Η διάταξη PCB είναι σημαντική για τη μεγιστοποίηση της απόδοσης ενός ενισχυτή υψηλής ποιότητας και τα ζητήματα που συζητούνται εδώ δεν περιορίζονται στους ενισχυτές hf. Τα σήματα χαμηλότερης συχνότητας όπως ο ήχος έχουν πολύ πιο αυστηρές απαιτήσεις παραμόρφωσης. Η επίδραση του ρεύματος γείωσης είναι μικρότερη σε χαμηλές συχνότητες, αλλά μπορεί να εξακολουθεί να αποτελεί σημαντικό πρόβλημα εάν ο απαιτούμενος δείκτης παραμόρφωσης βελτιωθεί αναλόγως.