De hecho, placa de circuito impreso (PCB) están hechos de materiales eléctricos lineales, es decir, su impedancia debe ser constante. 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. La corriente fluye desde la fuente de alimentación, a través del condensador de derivación, a través del amplificador hacia la carga. Luego, la corriente viaja desde el terminal de tierra de carga (o el blindaje del conector de salida de la PCB) de regreso al plano de tierra, a través del capacitor de derivación, y de regreso a la fuente que originalmente suministró la corriente.

El concepto de trayectoria mínima de corriente a través de la impedancia es incorrecto. La cantidad de corriente en todos los diferentes caminos de impedancia es proporcional a su conductividad. En un plano de tierra, a menudo hay más de una ruta de baja impedancia a través de la cual fluye una gran proporción de la corriente de tierra: una ruta está conectada directamente al condensador de derivación; El otro excita la resistencia de entrada hasta que se alcanza el condensador de derivación. La figura 1 ilustra estos dos caminos. La corriente de reflujo es lo que realmente está causando el problema.

Cómo reducir la distorsión armónica en el diseño de PCB

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”. Si una parte significativa de un componente polar de la corriente de tierra fluye a través de la tierra del circuito de entrada, solo se perturba ese componente polar de la señal. Si no se altera la otra polaridad de la corriente de tierra, el voltaje de la señal de entrada cambia de manera no lineal. 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.

Cómo reducir la distorsión armónica en el diseño de PCB

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.La transformada de Fourier muestra que la forma de onda de distorsión es casi todos los segundos armónicos a -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. Cuando la salida de un solo amplificador operacional se distorsiona debido a la ruta de la corriente de tierra, el flujo de corriente de tierra se puede ajustar reorganizando el circuito de derivación y manteniendo la distancia del dispositivo de entrada, como se muestra en la Figura 4.

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Chip multiamplificador

El problema de los chips de múltiples amplificadores (dos, tres o cuatro amplificadores) se ve agravado por la incapacidad de mantener la conexión a tierra del condensador de derivación lejos de toda la entrada. 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.

Cómo reducir la distorsión armónica en el diseño de PCB

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. Para lograr esto, el condensador de derivación se puede colocar en la PCB de tal manera que las corrientes de tierra (+ Vs) y (- Vs) fluyan por el mismo camino. Si la señal de entrada se ve igualmente perturbada por corrientes positivas y negativas, no se producirá distorsión. 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. Debido a que la perturbación resultante es la misma independientemente de la polaridad, no hay distorsión, pero se producirá un pequeño cambio en la ganancia del canal, como se muestra en la Figura 6.

Cómo reducir la distorsión armónica en el diseño de PCB

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. Como puede verse en la Tabla 1, cuanto más distorsionado esté el canal, mejor será la mejora, de modo que los cuatro canales son casi iguales en rendimiento.

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Sin un amplificador cuádruple ideal en una placa de circuito impreso, la medición de los efectos de un solo canal de amplificador puede resultar difícil. Obviamente, un canal de amplificador dado perturba no solo su propia entrada, sino también la entrada de otros canales. La corriente de tierra fluye a través de todas las diferentes entradas del canal y produce diferentes efectos, pero está influenciada por cada salida, que es medible.

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

En pocas palabras, en una PCB, la corriente de reflujo fluye a través de diferentes condensadores de derivación (para diferentes fuentes de alimentación) y la propia fuente de alimentación, que es proporcional a su conductividad. 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. Afortunadamente, es fácil proteger toda la ruta de la corriente de tierra mediante el uso de un punto de tierra común y un condensador de derivación a tierra en el lado de salida.

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. El efecto de la corriente de tierra es menor a bajas frecuencias, pero aún puede ser un problema importante si el índice de distorsión requerido se mejora en consecuencia.