How to reduce harmonic distortion in PCB design?

Fakte, presita cirkvito (PCB) estas faritaj el elektraj linearaj materialoj, do ilia impedanco devas esti konstanta. Kial do PCB enkondukas nelinearecon en signalo? La respondo estas, ke la PCB-aranĝo estas “space nelinia” relative al kie fluas la kurento.

Ĉu la amplifilo ricevas kurenton de unu aŭ alia fonto dependas de la tuja poluseco de la signalo sur la ŝarĝo. Fluo fluas de la elektroprovizo, tra la kromangia kondensilo, tra la amplifilo en la ŝarĝon. La fluo tiam vojaĝas de la ŝarĝa tera terminalo (aŭ ŝirmado de la PCB-eliga konektilo) reen al la tera ebeno, tra la kromangia kondensilo, kaj reen al la fonto, kiu origine provizis la kurenton.

ipcb

La koncepto de minimuma kurenta vojo tra impedanco estas malĝusta. La kvanto de kurento en ĉiuj malsamaj impedancaj vojoj estas proporcia al ĝia kondukteco. En tera ebeno, ofte estas pli ol unu malalt-impedanca vojo tra kiu fluas granda proporcio de tera kurento: unu vojo estas rekte konektita al la kromangia kondensilo; La alia ekscitas la eniran rezistilon ĝis la pretervoja kondensilo estas atingita. Figuro 1 ilustras ĉi tiujn du vojojn. La retrofluo nun kaŭzas la problemon.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Kiam la kromangiaj kondensiloj estas metitaj ĉe malsamaj pozicioj sur la PCB, la tera kurento fluas tra malsamaj vojoj al la respektivaj kromangiaj kondensiloj, kio estas la signifo de “spaca nelineareco”. Se signifa parto de polusa ero de la tera kurento fluas tra la grundo de la eniga cirkvito, nur tiu polusa ero de la signalo ĝenas. Se la alia poluseco de la tera kurento ne ĝenas, la eniga signala tensio ŝanĝiĝas nelinie. Kiam unu poluseca komponento estas ŝanĝita sed la alia poluseco ne, distordo okazas kaj manifestiĝas kiel la dua harmonia distordo de la eliga signalo. Figuro 2 montras ĉi tiun distordan efikon en troigita formo.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Kiam nur unu polusa ero de la sinusa ondo ĝenas, la rezulta ondformo ne plu estas sinusa ondo. Simuli idealan amplifilon kun 100-ω-ŝarĝo kaj kunligi la ŝarĝan kurenton tra 1-ω-rezistilo en la teran tension kun nur unu poluseco de la signalo, rezultigas figuron 3.Konverto de Fourier montras, ke la distorda ondformo estas preskaŭ ĉiuj duaj harmonoj ĉe -68 DBC. Je altaj oftecoj, ĉi tiu nivelo de kuplado facile generiĝas sur PCB, kiu povas detrui la bonegajn kontraŭdistordajn karakterizaĵojn de amplifilo sen recurrir al multaj specialaj neliniaj efikoj de PCB. Kiam la eligo de ununura funkcia amplifilo estas distordita pro la tera kurenta vojo, la tera fluo povas esti ĝustigita reordigante la kromangian buklon kaj konservante distancon de la eniga aparato, kiel montrite en Figuro 4.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Multiamplifa blato

La problemo de pluramplifilaj blatoj (du, tri aŭ kvar amplifiloj) estas kunmetita per la malkapablo konservi la teran konekton de la kromangia kondensilo for de la tuta eniro. Ĉi tio estas precipe vera por kvar amplifiloj. Kvar-amplifilaj blatoj havas enirajn finaĵojn ambaŭflanke, do ne estas loko por pretervojaj cirkvitoj, kiuj mildigas perturbojn al la eniga kanalo.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Figuro 5 montras simplan aliron al kvaramplifa aranĝo. Plej multaj aparatoj konektas rekte al kvarobla amplifilo. La tera kurento de unu elektroprovizo povas ĝeni la eniran teran tension kaj teran kurenton de la alia kanala elektroprovizo, rezultigante distordon. Ekzemple, la (+ Vs) kromangia kondensilo sur kanalo 1 de la kvarobla amplifilo povas esti metita rekte najbara al ĝia eniro; La (-Vs) kromangia kondensilo povas esti metita sur la alian flankon de la pakaĵo. La (+ Vs) tera kurento povas ĝeni kanalon 1, dum la (-vs) tera kurento eble ne.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Por eviti ĉi tiun problemon, lasu la teran kurenton ĝeni la eniron, sed la fluo de PCB flue laŭ linea maniero. Por atingi tion, la kromangia kondensilo povas esti aranĝita sur la PCB tiel ke la (+ Vs) kaj (- Vs) teraj fluoj fluas tra la sama vojo. Se la eniga signalo estas same ĝenita de pozitivaj kaj negativaj fluoj, misprezento ne okazos. Tial vicigu la du kromangiajn kondensilojn unu apud la alia tiel ke ili dividu terpunkton. Ĉar la du polusaj eroj de la tera kurento venas de la sama punkto (la elira konektilo-ŝirmado aŭ la ŝarĝa tero) kaj ambaŭ fluas reen al la sama punkto (la komuna tera konekto de la pretervoja kondensilo), la pozitiva / negativa kurento fluas tra la sama vojo. Se la eniga rezisto de kanalo estas ĝenata de (+ Vs) kurento, (- Vs) kurento efikas same al ĝi. Ĉar la rezulta perturbo estas la sama sendepende de la poluseco, ne ekzistas distordo, sed malgranda ŝanĝo en la gajno de la kanalo okazos, kiel montrite en Figuro 6.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Por kontroli la supran konkludon, du malsamaj PCB-aranĝoj estis uzataj: simpla aranĝo (Figuro 5) kaj malalt-distorda aranĝo (Figuro 6). La distordo produktita de la kvar-funkcia amplifilo FHP3450 uzanta fairchild-duonkonduktilon estas montrita en tabelo 1. La tipa larĝa bando de la FHP3450 estas 210MHz, la deklivo estas 1100V / us, la eniga biaso-kurento estas 100nA, kaj la funkcia kurento per kanalo estas 3.6. mA. Kiel videblas el Tabelo 1, ju pli distordita estas la kanalo, des pli bona la plibonigo, tiel ke la kvar kanaloj estas preskaŭ egalaj en rendimento.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Sen ideala kvarobla amplifilo sur PCB, mezuri la efikojn de unu amplifila kanalo povas esti malfacile. Evidente, donita amplifila kanalo ĝenas ne nur sian propran enigon, sed ankaŭ la enigon de aliaj kanaloj. La tera kurento fluas tra ĉiuj diversaj kanalaj enigoj kaj produktas malsamajn efikojn, sed estas influata de ĉiu eligo, kiu estas mezurebla.

Tabelo 2 montras la harmonojn mezuritajn sur aliaj senveturaj kanaloj kiam nur unu kanalo estas funkciigita. La senveturita kanalo montras malgrandan signalon (krucbabilo) ĉe la fundamenta frekvenco, sed ankaŭ produktas misprezenton rekte lanĉitan per la grunda fluo en la foresto de iu signifa fundamenta signalo. La malalt-distorda enpaĝigo en Figuro 6 montras ke la duaj harmoniaj kaj totalaj harmoniaj misprezentaj (THD) karakterizaĵoj estas multe plibonigitaj pro la preskaŭ-elimino de la grunda nuna efiko.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Ĉi tiu artikola resumo

Simple dirite, sur PCB, la refluofluo fluas tra diversaj kromangiaj kondensiloj (por malsamaj elektroprovizoj) kaj la elektroprovizo mem, kiu estas proporcia al sia kondukteco. La altfrekvenca signala kurento fluas reen al la malgranda kromangia kondensilo. Malaltfrekvencaj fluoj, kiel ekzemple tiuj de sonsignaloj, povas flui ĉefe tra pli grandaj kromangiaj kondensiloj. Eĉ pli malalta ofteca kurento povas “ignori” la plenan kromangian kapaciton kaj flui rekte reen al la potenca plumbo. La specifa aplikaĵo determinos, kiu aktuala vojo estas plej kritika. Feliĉe, estas facile protekti la tutan teran kurentvojon uzante komunan terpunkton kaj teran kromangian kondensilon sur la elira flanko.

La ora regulo por HF-PCB-enpaĝigo estas teni la HF-preterpasan kondensilon kiel eble plej proksime al la pakita potenca pinglo, sed komparo de Figuro 5 kaj Figuro 6 montras, ke modifi ĉi tiun regulon por plibonigi distordajn karakterizaĵojn ne multe diferencas. La plibonigitaj distordokarakterizaĵoj kostis aldoni ĉirkaŭ 0.15 colojn da altfrekvenca kromangia kondensila drataro, sed ĉi tio havis malmultan efikon sur la AC-responda agado de la FHP3450. PCB-aranĝo gravas por maksimumigi la rendimenton de altkvalita amplifilo, kaj la diskutitaj aferoj ĉi tie ne limiĝas al hf-amplifiloj. Pli malaltaj frekvencaj signaloj kiel audio havas multe pli striktajn distordajn postulojn. La grunda aktuala efiko estas pli malgranda ĉe malaltaj oftecoj, sed ĝi tamen povas esti grava problemo se la bezonata distorda indekso pliboniĝas laŭe.