De hecho, placa de circuito impreso (PCB) are made of electrical linear materials, i.e. their impedance should be constant. Entonces, ¿por qué una PCB introduce no linealidad en una señal? La respuesta es que el diseño de la placa de circuito impreso es “espacialmente no lineal” en relación con el lugar donde fluye la corriente.

Si el amplificador recibe corriente de una fuente u otra depende de la polaridad instantánea de la señal en la carga. 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 a ground plane, there is often more than one low-impedance path through which a large proportion of ground current flows: one path is directly connected to the bypass capacitor; El otro excita la resistencia de entrada hasta que se alcanza el condensador de derivación. La figura 1 ilustra estos dos caminos. The backflow current is what’s really causing the problem.

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Cuando los condensadores de derivación se colocan en diferentes posiciones en la PCB, la corriente de tierra fluye a través de diferentes caminos hacia los respectivos condensadores de derivación, que es el significado de “no linealidad espacial”. 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. If the other polarity of the ground current is not disturbed, the input signal voltage changes in a nonlinear manner. Cuando se cambia un componente de polaridad pero no el otro, se produce distorsión y se manifiesta como la segunda distorsión armónica de la señal de salida. La figura 2 muestra este efecto de distorsión de forma exagerada.

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Cuando solo se altera un componente polar de la onda sinusoidal, la forma de onda resultante ya no es una onda sinusoidal. Simular un amplificador ideal con una carga de 100 ω y acoplar la corriente de carga a través de una resistencia de 1 ω al voltaje de tierra en una sola polaridad de la señal, da como resultado la figura 3. Fourier transform shows that the distortion waveform is almost all the second harmonics at -68 DBC. A altas frecuencias, este nivel de acoplamiento se genera fácilmente en una PCB, lo que puede destruir las excelentes características anti-distorsión de un amplificador sin recurrir a muchos de los efectos especiales no lineales de una PCB. 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

The problem of multi-amplifier chips (two, three, or four amplifiers) is compounded by the inability to keep the ground connection of the bypass capacitor far from the entire input. Esto es especialmente cierto para cuatro amplificadores. Los chips de amplificador cuádruple tienen terminales de entrada en cada lado, por lo que no hay espacio para circuitos de derivación que mitiguen las perturbaciones en el canal de entrada.

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La Figura 5 muestra un enfoque simple para un diseño de cuatro amplificadores. La mayoría de los dispositivos se conectan directamente a un pin de amplificador cuádruple. La corriente de tierra de una fuente de alimentación puede perturbar la tensión de tierra de entrada y la corriente de tierra de la otra fuente de alimentación del canal, lo que produce distorsión. Por ejemplo, el condensador de derivación (+ Vs) en el canal 1 del amplificador cuádruple se puede colocar directamente junto a su entrada; El condensador de derivación (-Vs) se puede colocar en el otro lado del paquete. La corriente de tierra (+ Vs) puede perturbar el canal 1, mientras que la corriente de tierra (-vs) puede que no.

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Para evitar este problema, deje que la corriente de tierra perturbe la entrada, pero deje que la corriente de la PCB fluya de forma espacialmente lineal. To achieve this, the bypass capacitor can be arranged on the PCB in such a way that the (+Vs) and (– Vs) ground currents flow through the same path. If the input signal is equally disturbed by positive and negative currents, distortion will not occur. Por lo tanto, alinee los dos condensadores de derivación uno al lado del otro para que compartan un punto de tierra. Debido a que los dos componentes polares de la corriente de tierra provienen del mismo punto (el blindaje del conector de salida o la tierra de carga) y ambos fluyen de regreso al mismo punto (la conexión a tierra común del capacitor de derivación), la corriente positiva / negativa fluye a través el mismo camino. Si la resistencia de entrada de un canal se ve perturbada por la corriente (+ Vs), la corriente (- Vs) tiene el mismo efecto sobre ella. 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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Para verificar la inferencia anterior, se utilizaron dos diseños de PCB diferentes: un diseño simple (Figura 5) y un diseño de baja distorsión (Figura 6). La distorsión producida por el amplificador operacional cuádruple FHP3450 usando semiconductores Fairchild se muestra en la tabla 1. El ancho de banda típico del FHP3450 es 210MHz, la pendiente es 1100V / us, la corriente de polarización de entrada es 100nA y la corriente de operación por canal es 3.6 mamá. 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. Obviamente, un canal de amplificador dado perturba no solo su propia entrada, sino también la entrada de otros canales. The earth current flows through all the different channel inputs and produces different effects, but is influenced by each output, which is measurable.

La Tabla 2 muestra los armónicos medidos en otros canales no controlados cuando solo se activa un canal. El canal no controlado muestra una pequeña señal (diafonía) en la frecuencia fundamental, pero también produce distorsión introducida directamente por la corriente de tierra en ausencia de cualquier señal fundamental significativa. El diseño de baja distorsión en la Figura 6 muestra que las características del segundo armónico y la distorsión armónica total (THD) se mejoran en gran medida debido a la casi eliminación del efecto de la corriente de tierra.

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Este resumen del artículo

Simply put, on a PCB, the backflow current flows through different bypass capacitors (for different power supplies) and the power supply itself, which is proportional to its conductivity. La corriente de señal de alta frecuencia fluye de regreso al pequeño condensador de derivación. Las corrientes de baja frecuencia, como las de las señales de audio, pueden fluir principalmente a través de condensadores de derivación más grandes. Incluso una corriente de frecuencia más baja puede “ignorar” la capacitancia de derivación completa y fluir directamente de regreso al cable de alimentación. La aplicación específica determinará qué ruta actual es más crítica. 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.

La regla de oro para el diseño de PCB de HF es mantener el condensador de derivación de HF lo más cerca posible del pin de alimentación empaquetado, pero una comparación de la Figura 5 y la Figura 6 muestra que modificar esta regla para mejorar las características de distorsión no hace mucha diferencia. Las características de distorsión mejoradas se obtuvieron a expensas de agregar aproximadamente 0.15 pulgadas de cableado de condensador de derivación de alta frecuencia, pero esto tuvo poco impacto en el rendimiento de respuesta de CA del FHP3450. El diseño de la placa de circuito impreso es importante para maximizar el rendimiento de un amplificador de alta calidad, y los problemas que se analizan aquí no se limitan a los amplificadores de alta frecuencia. Las señales de baja frecuencia, como el audio, tienen requisitos de distorsión mucho más estrictos. The ground current effect is smaller at low frequencies, but it may still be an important problem if the required distortion index is improved accordingly.