How to reduce harmonic distortion in PCB design?

در واقع، تخته مدار چاپی (PCB) از مواد خطی الکتریکی ساخته شده اند ، یعنی امپدانس آنها باید ثابت باشد. بنابراین چرا PCB غیر خطی بودن را به سیگنال وارد می کند؟ پاسخ این است که طرح PCB نسبت به جایی که جریان جریان دارد “فضایی غیر خطی” است.

اینکه آیا تقویت کننده جریان را از یک منبع یا منبع دیگر دریافت می کند بستگی به قطبیت لحظه ای سیگنال بر روی بار دارد. جریان از منبع تغذیه ، از طریق خازن بای پس ، از طریق تقویت کننده وارد بار می شود. سپس جریان از پایانه زمین بار (یا محافظ اتصال دهنده خروجی PCB) به سطح زمین ، از طریق خازن بای پس ، و به منبع اصلی که جریان را تأمین می کرد ، حرکت می کند.

ipcb

مفهوم حداقل مسیر جریان از طریق امپدانس نادرست است. مقدار جریان در تمام مسیرهای امپدانس مختلف متناسب با هدایت آن است. در سطح زمین ، اغلب بیش از یک مسیر کم امپدانس وجود دارد که بخش بزرگی از جریان زمین از طریق آن عبور می کند: یک مسیر مستقیماً به خازن بای پس متصل می شود. دیگری مقاومت ورودی را تحریک می کند تا به خازن بای پس برسد. شکل 1 این دو مسیر را نشان می دهد. جریان برگشتی چیزی است که واقعاً مشکل را ایجاد می کند.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

هنگامی که خازن های بای پس در موقعیت های مختلف روی PCB قرار می گیرند ، جریان زمین از طریق مسیرهای مختلف به سمت خازن های بای پس مربوطه می رود ، که منظور از “غیر خطی بودن فضایی” است. اگر بخش قابل توجهی از یک جزء قطبی از جریان زمین از طریق زمین مدار ورودی عبور کند ، فقط آن جزء قطبی سیگنال مختل می شود. اگر قطبیت دیگر جریان زمین مختل نشود ، ولتاژ سیگنال ورودی به صورت غیر خطی تغییر می کند. هنگامی که یک جزء قطبی تغییر می کند اما قطبیت دیگر تغییر نمی کند ، اعوجاج رخ می دهد و به عنوان اعوجاج هارمونیک دوم سیگنال خروجی ظاهر می شود. شکل 2 این اثر اعوجاج را به شکل اغراق آمیز نشان می دهد.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

هنگامی که فقط یک جزء قطبی از موج سینوسی مختل می شود ، شکل موج حاصله دیگر یک موج سینوسی نیست. شبیه سازی تقویت کننده ایده آل با بار 100-ω و اتصال جریان بار از طریق مقاومت 1-ω به ولتاژ زمین تنها در یک قطب سیگنال ، در شکل 3 به دست می آید.تبدیل فوریه نشان می دهد که شکل موج اعوجاج تقریباً هارمونیک های دوم در -68 DBC است. در فرکانسهای بالا ، این سطح از اتصال به راحتی در PCB ایجاد می شود ، که می تواند ویژگیهای ضد اعوجاج عالی تقویت کننده را بدون استفاده از اثرات غیر خطی ویژه PCB از بین ببرد. هنگامی که خروجی یک تقویت کننده عملیاتی واحد به دلیل مسیر جریان زمین مخدوش می شود ، جریان جریان زمین را می توان با تنظیم مجدد حلقه بای پس و حفظ فاصله از دستگاه ورودی ، مطابق شکل 4 تنظیم کرد.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

تراشه چند آمپلی فایر

مشکل تراشه های چند تقویت کننده (دو ، سه یا چهار تقویت کننده) با ناتوانی در دور نگه داشتن اتصال زمین خازن بای پس از کل ورودی تشدید می شود. این امر به ویژه در مورد چهار تقویت کننده صادق است. تراشه های چهار تقویت کننده دارای پایانه های ورودی در هر طرف هستند ، بنابراین جایی برای مدارهای بای پس وجود ندارد که اختلال در کانال ورودی را کاهش دهند.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

شکل 5 یک رویکرد ساده را برای طرح چهار تقویت کننده نشان می دهد. اکثر دستگاه ها مستقیماً به یک پین تقویت کننده چهارگانه متصل می شوند. جریان زمین یک منبع تغذیه می تواند ولتاژ ورودی زمین و جریان منبع تغذیه کانال دیگر را مختل کرده و در نتیجه اعوجاج ایجاد شود. به عنوان مثال ، خازن بای پس (+Vs) در کانال 1 تقویت کننده چهارگانه می تواند مستقیماً در مجاورت ورودی آن قرار گیرد. خازن بای پس (-Vs) را می توان در طرف دیگر بسته قرار داد. جریان زمین (+Vs) می تواند کانال 1 را مختل کند ، در حالی که جریان زمین (-vs) ممکن است.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

برای جلوگیری از این مشکل ، اجازه دهید جریان زمین ورودی را مختل کند ، اما اجازه دهید جریان PCB به صورت فضایی خطی جریان یابد. برای دستیابی به این هدف ، خازن بای پس را می توان روی PCB طوری قرار داد که جریان زمین (+Vs) و ( – Vs) از یک مسیر عبور کند. اگر سیگنال ورودی توسط جریانهای مثبت و منفی به یک اندازه مختل شود ، اعوجاج رخ نمی دهد. بنابراین ، دو خازن بای پس را در کنار هم تراز کنید تا یک نقطه زمین مشترک داشته باشند. از آنجا که دو جزء قطبی جریان زمین از یک نقطه (محافظ اتصال خروجی یا زمین بار) آمده و هر دو به یک نقطه برمی گردند (اتصال زمین مشترک خازن بای پس) ، جریان مثبت/منفی از طریق همان مسیر اگر مقاومت ورودی یک کانال با جریان (+Vs) مختل شود ، جریان ( – Vs) نیز همان تأثیر را بر آن می گذارد. از آنجا که اختلال حاصل بدون توجه به قطب یکسان است ، هیچگونه اعوجاجی وجود ندارد ، اما تغییر کوچکی در افزایش کانال ایجاد می شود ، همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

برای تأیید استنباط فوق ، از دو طرح مختلف PCB استفاده شد: یک طرح ساده (شکل 5) و یک طرح با اعوجاج کم (شکل 6). اعوجاج تولید شده توسط تقویت کننده چهارعاملی FHP3450 با استفاده از نیمه رسانای چنبر در جدول 1 نشان داده شده است. پهنای باند معمولی FHP3450 210 مگاهرتز ، شیب 1100V/us ، جریان سوگیری ورودی 100nA و جریان کار در هر کانال 3.6 است. mA همانطور که در جدول 1 مشاهده می شود ، هرچه کانال تحریف شده باشد ، بهبود بهتری دارد ، به طوری که عملکرد چهار کانال تقریباً برابر است.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

بدون تقویت کننده چهارگانه ایده آل روی PCB ، اندازه گیری اثرات یک کانال تقویت کننده دشوار است. بدیهی است که یک کانال تقویت کننده معین نه تنها ورودی خود ، بلکه ورودی سایر کانالها را نیز مختل می کند. جریان زمین از طریق تمام ورودی های کانال مختلف عبور می کند و اثرات متفاوتی را ایجاد می کند ، اما تحت تأثیر هر خروجی قرار می گیرد که قابل اندازه گیری است.

جدول 2 هارمونیک های اندازه گیری شده بر روی سایر کانالهای بدون عملکرد را نشان می دهد که فقط یک کانال هدایت می شود. کانال بدون سوزن یک سیگنال کوچک (تداخل) در فرکانس اساسی نشان می دهد ، اما همچنین باعث ایجاد اعوجاج می شود که مستقیماً توسط جریان زمین در غیاب هرگونه سیگنال اساسی قابل توجه وارد می شود. طرح اعوجاج کم در شکل 6 نشان می دهد که دومین ویژگی اعوجاج هارمونیک و هارمونیک کلی (THD) به دلیل حذف تقریباً اثر جریان زمین بسیار بهبود یافته است.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

خلاصه این مقاله

به عبارت ساده ، در PCB ، جریان برگشتی از طریق خازن های مختلف بای پس (برای منبع تغذیه مختلف) و خود منبع تغذیه جریان دارد که متناسب با رسانایی آن است. جریان سیگنال با فرکانس بالا به خازن کوچک بای پس بر می گردد. جریانهای فرکانس پایین ، مانند سیگنالهای صوتی ، ممکن است در درجه اول از طریق خازنهای بزرگتر بای پس عبور کنند. حتی ممکن است جریان فرکانسی پایین تر ، ظرفیت کامل بای پس را “نادیده بگیرد” و مستقیماً به سیم برق بازگردد. برنامه خاص تعیین می کند که کدام مسیر فعلی بسیار مهم است. خوشبختانه ، محافظت از کل مسیر جریان زمین با استفاده از یک نقطه مشترک زمین و یک خازن بای پس زمین در سمت خروجی آسان است.

قانون طلایی برای چیدمان PCB HF این است که خازن بای پس HF را تا حد امکان نزدیک به پین ​​تغذیه بسته بندی شده نگه دارید ، اما مقایسه شکل 5 و شکل 6 نشان می دهد که اصلاح این قاعده برای بهبود ویژگی های اعوجاج تفاوت چندانی ایجاد نمی کند. بهبود ویژگی های اعوجاج به دلیل افزودن حدود 0.15 اینچ سیم کشی خازن فرکانس بالا است ، اما این تأثیر کمی بر عملکرد پاسخ AC FHP3450 داشت. طرح PCB برای به حداکثر رساندن عملکرد تقویت کننده با کیفیت مهم است و مسائل مورد بحث در اینجا تنها به تقویت کننده های hf محدود نمی شود. سیگنالهای فرکانس پایین مانند صدا نیاز به اعوجاج بسیار شدیدتری دارند. اثر جریان زمین در فرکانسهای پایین کوچکتر است ، اما اگر شاخص اعوجاج مورد نیاز بر این اساس بهبود یابد ، ممکن است همچنان مشکل مهمی باشد.