Kuinka vähentää harmonisia vääristymiä piirilevyjen suunnittelussa?

Itse asiassa, piirilevy (PCB) on valmistettu sähköisistä lineaarisista materiaaleista, eli niiden impedanssin tulisi olla vakio. Joten miksi piirilevy tuo epälineaarisuuden signaaliin? Vastaus on, että piirilevyasettelu on ”spatiaalisesti epälineaarinen” suhteessa siihen, missä virta kulkee.

Se, saako vahvistin virran yhdestä tai toisesta lähteestä, riippuu kuorman signaalin hetkellisestä napaisuudesta. Virta virtaa virtalähteestä ohituskondensaattorin kautta vahvistimen kautta kuormaan. Virta kulkee sitten kuorman maadoitusliittimestä (tai piirilevyn ulostuloliittimen suojauksesta) takaisin maatasolle ohituskondensaattorin kautta ja takaisin lähteeseen, joka alun perin toimitti virran.

ipcb

Käsite virran vähimmäispolusta impedanssin kautta on väärä. Virran määrä kaikilla eri impedanssipolkuilla on verrannollinen sen johtavuuteen. Maatasossa on usein useampi kuin yksi matalan impedanssin polku, jonka läpi suuri osa maavirrasta virtaa: yksi polku on suoraan kytketty ohituskondensaattoriin; Toinen herättää tulovastusta, kunnes ohituskondensaattori on saavutettu. Kuva 1 havainnollistaa näitä kahta polkua. Takaisinvirtausvirta aiheuttaa ongelman.

Kuinka vähentää harmonisia vääristymiä piirilevyjen suunnittelussa

Kun ohituskondensaattorit on sijoitettu eri paikkoihin piirilevyllä, maavirta virtaa eri reittien kautta vastaaviin ohituskondensaattoreihin, mikä on ”spatiaalisen epälineaarisuuden” merkitys. Jos merkittävä osa maavirran napakomponentista virtaa tulopiirin maan läpi, vain signaalin napainen komponentti häiriintyy. Jos maavirran toinen napaisuus ei ole häiriintynyt, tulosignaalin jännite muuttuu epälineaarisesti. Kun toista napaisuuskomponenttia muutetaan, mutta toista napaisuutta ei, vääristymä tapahtuu ja ilmenee lähtösignaalin toisena harmonisena vääristymänä. Kuvio 2 esittää tämän vääristymän liioitellussa muodossa.

Kuinka vähentää harmonisia vääristymiä piirilevyjen suunnittelussa

Kun vain yksi siniaallon polaarinen komponentti häiriintyy, syntynyt aaltomuoto ei ole enää siniaalto. Ihanteellisen vahvistimen simulointi 100 ω: n kuormituksella ja kuormitusvirran kytkeminen 1 ω: n vastuksen kautta maajännitteeseen vain yhden signaalin napaisuuden perusteella, tuloksena on kuva 3.Fourier -muunnos osoittaa, että vääristymän aaltomuoto on lähes kaikki toiset yliaallot -68 DBC: ssä. Korkeilla taajuuksilla tämä kytkentätaso voidaan helposti muodostaa piirilevylle, mikä voi tuhota vahvistimen erinomaiset vääristymienesto-ominaisuudet turvautumatta suuriin piirilevyn epälineaarisiin vaikutuksiin. Kun yksittäisen operaatiovahvistimen lähtö on vääristynyt maavirtareitin vuoksi, maavirtaa voidaan säätää järjestämällä ohituslenkki uudelleen ja pitämällä etäisyys syöttölaitteesta, kuten kuvassa 4 on esitetty.

Kuinka vähentää harmonisia vääristymiä piirilevyjen suunnittelussa

Monivahvistinsiru

Monivahvistinsirujen (kaksi, kolme tai neljä vahvistinta) ongelmaa pahentaa kyvyttömyys pitää ohituskondensaattorin maaliitäntää kaukana koko tulosta. Tämä pätee erityisesti neljään vahvistimeen. Neljän vahvistimen siruissa on tuloliitännät kummallakin puolella, joten ei ole tilaa ohituspiireille, jotka vähentävät tulokanavan häiriöitä.

Kuinka vähentää harmonisia vääristymiä piirilevyjen suunnittelussa

Kuva 5 esittää yksinkertaisen lähestymistavan nelivahvistinasetteluun. Useimmat laitteet liitetään suoraan nelivahvistimen nastaan. Yhden virtalähteen maadoitusvirta voi häiritä toisen kanavan virtalähteen tulojännitettä ja maavirtaa, mikä voi aiheuttaa vääristymiä. Esimerkiksi (+Vs) ohituskondensaattori nelivahvistimen kanavalla 1 voidaan sijoittaa suoraan sen tulon viereen; Ohituskondensaattori (-Vs) voidaan sijoittaa pakkauksen toiselle puolelle. (+Vs) maadoitusvirta voi häiritä kanavaa 1, kun taas (-vs) maadoitusvirta ei välttämättä.

Kuinka vähentää harmonisia vääristymiä piirilevyjen suunnittelussa

Tämän ongelman välttämiseksi anna maavirran häiritä tuloa, mutta anna PCB -virran virrata spatiaalisesti lineaarisesti. Tämän saavuttamiseksi ohituskondensaattori voidaan järjestää piirilevylle siten, että (+Vs) ja ( – Vs) maavirrat kulkevat samaa reittiä. Jos tulosignaalia häiritsevät yhtä paljon positiiviset ja negatiiviset virrat, vääristymiä ei tapahdu. Kohdista siksi kaksi ohituskondensaattoria vierekkäin siten, että ne jakavat maadoituspisteen. Koska maavirran kaksi polaarista komponenttia tulevat samasta kohdasta (lähtöliitännän suoja tai kuormitusmaa) ja molemmat virtaavat takaisin samaan pisteeseen (ohituskondensaattorin yhteinen maadoitus), positiivinen/negatiivinen virta kulkee läpi samaa polkua. Jos (+Vs) -virta häiritsee kanavan tulovastusta, ( – Vs) -virta vaikuttaa siihen samalla tavalla. Koska tuloksena oleva häiriö on sama napaisuudesta riippumatta, vääristymiä ei ole, mutta kanavan vahvistuksessa tapahtuu pieni muutos, kuten kuvassa 6 on esitetty.

Kuinka vähentää harmonisia vääristymiä piirilevyjen suunnittelussa

Edellä esitetyn johtopäätöksen tarkistamiseksi käytettiin kahta erilaista piirilevyasettelua: yksinkertainen asettelu (kuva 5) ja vähäisen vääristymän asettelu (kuva 6). FHP3450-nelioperaatiovahvistimen tuottama vääristymä Fairchild-puolijohdetta käyttäen on esitetty taulukossa 1. FHP3450: n tyypillinen kaistanleveys on 210 MHz, kaltevuus on 1100 V/us, tulovirran virta on 100 nA ja käyttövirta kanavaa kohden on 3.6 mA. Kuten taulukosta 1 voidaan nähdä, mitä vääristyneempi kanava, sitä parempi parannus, joten neljä kanavaa ovat lähes yhtä suorituskykyisiä.

Kuinka vähentää harmonisia vääristymiä piirilevyjen suunnittelussa

Ilman ihanteellista nelivahvistinta piirilevylle yksittäisen vahvistinkanavan vaikutusten mittaaminen voi olla vaikeaa. On selvää, että tietty vahvistinkanava häiritsee paitsi omaa tuloaan myös muiden kanavien tuloa. Maavirta kulkee kaikkien eri kanavatulojen läpi ja tuottaa erilaisia ​​vaikutuksia, mutta jokainen ulostulo vaikuttaa siihen, mikä on mitattavissa.

Taulukko 2 esittää yliaaltoja, jotka on mitattu muilla ajamattomilla kanavilla, kun vain yhtä kanavaa käytetään. Ohjaamaton kanava näyttää pienen signaalin (ylikuulumisen) perustaajuudella, mutta tuottaa myös maavirran aiheuttamaa vääristymää ilman merkittävää perussignaalia. Kuvion 6 vähäisen vääristymän asettelu osoittaa, että toisen harmonisen ja täydellisen harmonisen vääristymän (THD) ominaisuudet ovat parantuneet huomattavasti, koska maavirtavaikutus on lähes poistettu.

Kuinka vähentää harmonisia vääristymiä piirilevyjen suunnittelussa

Tämä artikkelin yhteenveto

Yksinkertaisesti sanottuna piirilevyllä paluuvirta virtaa eri ohituskondensaattoreiden (eri virtalähteiden) ja itse virtalähteen läpi, mikä on verrannollinen sen johtavuuteen. Suurtaajuinen signaalivirta virtaa takaisin pieneen ohituskondensaattoriin. Matalataajuiset virrat, kuten audiosignaalit, voivat virrata pääasiassa suurempien ohituskondensaattoreiden kautta. Jopa pienempi taajuusvirta voi “jättää huomiotta” täyden ohituskapasitanssin ja virtaa suoraan takaisin virtajohtoon. Erityinen sovellus määrittää, mikä nykyinen polku on kriittisin. Onneksi koko maavirtareitti on helppo suojata käyttämällä yhteistä maadoituspistettä ja maadoitusohjauskondensaattoria lähtöpuolella.

Kultainen sääntö HF -piirilevyasettelulle on pitää HF -ohituskondensaattori mahdollisimman lähellä pakattua virtatappia, mutta kuvan 5 ja 6 vertailu osoittaa, että tämän säännön muuttaminen vääristymisominaisuuksien parantamiseksi ei tee paljon eroa. Parannetut säröominaisuudet tulivat kustannuksella lisäämällä noin 0.15 tuumaa suurtaajuisia ohituskondensaattorijohtoja, mutta tällä ei ollut juurikaan vaikutusta FHP3450: n vaihtovirtaan. Piirilevyasettelu on tärkeä korkealaatuisen vahvistimen suorituskyvyn maksimoimiseksi, ja tässä käsitellyt asiat eivät rajoitu hf-vahvistimiin. Alemman taajuuden signaaleilla, kuten äänellä, on paljon tiukemmat vääristymisvaatimukset. Maavirtavaikutus on pienempi matalilla taajuuksilla, mutta se voi silti olla tärkeä ongelma, jos vaadittua säröindeksiä parannetaan vastaavasti.