Effectivement, circuit imprimé (PCB) sont constitués de matériaux électriques linéaires, c’est-à-dire que leur impédance doit être constante. Alors pourquoi un PCB introduit-il de la non-linéarité dans un signal ? La réponse est que la disposition du PCB est « spatialement non linéaire » par rapport à l’endroit où le courant circule.

Que l’amplificateur reçoive du courant d’une source ou d’une autre dépend de la polarité instantanée du signal sur la charge. Le courant circule de l’alimentation, à travers le condensateur de dérivation, à travers l’amplificateur dans la charge. 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. Dans un plan de masse, il y a souvent plus d’un chemin à faible impédance à travers lequel circule une grande partie du courant de terre : un chemin est directement connecté au condensateur de dérivation ; L’autre excite la résistance d’entrée jusqu’à ce que le condensateur de dérivation soit atteint. La figure 1 illustre ces deux chemins. Le courant de refoulement est ce qui cause vraiment le problème.

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Lorsque les condensateurs de dérivation sont placés à différentes positions sur le PCB, le courant de terre circule à travers différents chemins vers les condensateurs de dérivation respectifs, ce qui est le sens de « non-linéarité spatiale ». 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. Si l’autre polarité du courant de terre n’est pas perturbée, la tension du signal d’entrée change de manière non linéaire. Lorsqu’une composante de polarité est modifiée mais que l’autre polarité ne l’est pas, une distorsion se produit et se manifeste sous la forme de la deuxième distorsion harmonique du signal de sortie. La figure 2 montre cet effet de distorsion sous une forme exagérée.

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Lorsqu’une seule composante polaire de l’onde sinusoïdale est perturbée, la forme d’onde résultante n’est plus une onde sinusoïdale. Simuler un amplificateur idéal avec une charge de 100 ω et coupler le courant de charge à travers une résistance de 1 dans la tension de terre sur une seule polarité du signal, donne la figure 3. Fourier transform shows that the distortion waveform is almost all the second harmonics at -68 DBC. Aux hautes fréquences, ce niveau de couplage est facilement généré sur un PCB, ce qui peut détruire les excellentes caractéristiques anti-distorsion d’un amplificateur sans recourir à une grande partie des effets non linéaires spéciaux d’un 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

Le problème des puces multi-amplificateurs (deux, trois ou quatre amplificateurs) est aggravé par l’incapacité de maintenir la connexion à la terre du condensateur de dérivation loin de toute l’entrée. Cela est particulièrement vrai pour quatre amplificateurs. Les puces à quatre amplificateurs ont des bornes d’entrée de chaque côté, il n’y a donc pas de place pour les circuits de dérivation qui atténuent les perturbations du canal d’entrée.

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La figure 5 montre une approche simple d’une configuration à quatre amplificateurs. La plupart des appareils se connectent directement à une broche d’amplificateur quad. Le courant de terre d’une alimentation peut perturber la tension de terre d’entrée et le courant de terre de l’autre alimentation de canal, entraînant une distorsion. Par exemple, le condensateur de dérivation (+Vs) sur le canal 1 de l’amplificateur quad peut être placé directement à côté de son entrée ; Le condensateur de dérivation (-Vs) peut être placé de l’autre côté du boîtier. Le courant de terre (+Vs) peut perturber le canal 1, alors que le courant de terre (-vs) ne le peut pas.

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Pour éviter ce problème, laissez le courant de terre perturber l’entrée, mais laissez le courant PCB circuler de manière linéaire dans l’espace. Pour ce faire, le condensateur de dérivation peut être disposé sur le PCB de manière à ce que les courants de terre (+Vs) et (–Vs) passent par le même chemin. Si le signal d’entrée est également perturbé par des courants positifs et négatifs, aucune distorsion ne se produira. Par conséquent, alignez les deux condensateurs de dérivation l’un à côté de l’autre afin qu’ils partagent un point de masse. Étant donné que les deux composantes polaires du courant de terre proviennent du même point (le blindage du connecteur de sortie ou la terre de la charge) et retournent toutes les deux au même point (la connexion à la terre commune du condensateur de dérivation), le courant positif/négatif traverse le même chemin. Si la résistance d’entrée d’un canal est perturbée par un courant (+Vs), le courant (–Vs) a le même effet sur celui-ci. 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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Pour vérifier l’inférence ci-dessus, deux configurations PCB différentes ont été utilisées : une configuration simple (Figure 5) et une configuration à faible distorsion (Figure 6). La distorsion produite par l’amplificateur opérationnel quad FHP3450 utilisant un semi-conducteur fairchild est indiquée dans le tableau 1. La bande passante typique du FHP3450 est de 210 MHz, la pente est de 1100 V/us, le courant de polarisation d’entrée est de 100 nA et le courant de fonctionnement par canal est de 3.6 mA. 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. Évidemment, un canal d’amplificateur donné perturbe non seulement sa propre entrée, mais aussi l’entrée d’autres canaux. The earth current flows through all the different channel inputs and produces different effects, but is influenced by each output, which is measurable.

Le tableau 2 montre les harmoniques mesurées sur d’autres canaux non pilotés lorsqu’un seul canal est piloté. Le canal non piloté affiche un petit signal (diaphonie) à la fréquence fondamentale, mais produit également une distorsion directement introduite par le courant de terre en l’absence de tout signal fondamental significatif. La disposition à faible distorsion de la figure 6 montre que les caractéristiques de la deuxième harmonique et de la distorsion harmonique totale (THD) sont considérablement améliorées en raison de la quasi-élimination de l’effet du courant de terre.

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Résumé de cet article

En termes simples, sur un PCB, le courant de refoulement traverse différents condensateurs de dérivation (pour différentes alimentations) et l’alimentation elle-même, qui est proportionnelle à sa conductivité. Le courant de signal haute fréquence retourne au petit condensateur de dérivation. Les courants basse fréquence, tels que ceux des signaux audio, peuvent circuler principalement à travers des condensateurs de dérivation plus gros. Même un courant de fréquence inférieure peut « ne pas tenir compte » de la capacité de dérivation complète et revenir directement vers le câble d’alimentation. L’application spécifique déterminera quel chemin actuel est le plus critique. 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 règle d’or pour la disposition des circuits imprimés HF est de garder le condensateur de dérivation HF aussi près que possible de la broche d’alimentation emballée, mais une comparaison de la figure 5 et de la figure 6 montre que modifier cette règle pour améliorer les caractéristiques de distorsion ne fait pas beaucoup de différence. L’amélioration des caractéristiques de distorsion s’est faite au détriment de l’ajout d’environ 0.15 pouce de câblage de condensateur de dérivation haute fréquence, mais cela a eu peu d’impact sur les performances de réponse CA du FHP3450. La disposition des circuits imprimés est importante pour maximiser les performances d’un amplificateur de haute qualité, et les problèmes abordés ici ne se limitent pas aux amplificateurs haute fréquence. Les signaux de fréquence inférieure tels que l’audio ont des exigences de distorsion beaucoup plus strictes. L’effet du courant de terre est plus faible aux basses fréquences, mais cela peut toujours être un problème important si l’indice de distorsion requis est amélioré en conséquence.