En realidade, placa de circuíto impreso (PCB) están feitos de materiais lineais eléctricos, é dicir, a súa impedancia debería ser constante. Entón, por que un PCB introduce a non linealidade nun sinal? A resposta é que o deseño do PCB é “espacialmente non lineal” en relación a onde flúe a corrente.

Se o amplificador recibe corrente dunha fonte ou doutra depende da polaridade instantánea do sinal na carga. A corrente flúe desde a fonte de alimentación, a través do condensador de derivación, a través do amplificador cara á carga. 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. Nun plano de terra, a miúdo hai máis dun camiño de baixa impedancia polo que flúe unha gran proporción de corrente de terra: un camiño está conectado directamente ao condensador de derivación; O outro excita a resistencia de entrada ata que se alcanza o condensador de derivación. A figura 1 ilustra estes dous camiños. A corrente de retroceso é o que realmente está a causar o problema.

enviar

Cando os condensadores de derivación están colocados en diferentes posicións no PCB, a corrente de terra flúe a través de diferentes camiños cara aos respectivos condensadores de derivación, o que significa “non linealidade 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. Se a outra polaridade da corrente de terra non se perturba, a tensión do sinal de entrada cambia de xeito non lineal. Cando se cambia unha compoñente de polaridade pero a outra non, a distorsión prodúcese e maniféstase como a segunda distorsión harmónica do sinal de saída. A figura 2 mostra este efecto de distorsión de forma esaxerada.

enviar

Cando só se perturba un compoñente polar da onda sinusoidal, a forma de onda resultante xa non é unha onda sinusoidal. Simular un amplificador ideal cunha carga de 100 ω e acoplar a corrente de carga a través dunha resistencia de 1 ω á tensión de terra nunha soa polaridade do sinal, resulta na figura 3. Fourier transform shows that the distortion waveform is almost all the second harmonics at -68 DBC. A altas frecuencias, este nivel de acoplamento xérase facilmente nun PCB, o que pode destruír as excelentes características anti-distorsión dun amplificador sen recorrer a gran parte dos efectos especiais non lineais dun 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.

enviar

Multiamplifier chip

O problema dos chips multi-amplificadores (dous, tres ou catro amplificadores) vén agravado pola imposibilidade de manter a conexión a terra do condensador de derivación lonxe de toda a entrada. Isto é especialmente certo para catro amplificadores. Os chips de catro amplificadores teñen terminais de entrada a cada lado, polo que non hai espazo para circuítos de derivación que mitigan a perturbación da canle de entrada.

enviar

A figura 5 mostra unha aproximación sinxela a un deseño de catro amplificadores. A maioría dos dispositivos conéctanse directamente a un pin de amplificador quad. A corrente de terra dunha fonte de alimentación pode perturbar a tensión de terra de entrada e a corrente de terra da outra fonte de alimentación, provocando distorsión. Por exemplo, o condensador de derivación (+ Vs) na canle 1 do amplificador quad pode colocarse directamente adxacente á súa entrada; O condensador de derivación (-Vs) pódese colocar no outro lado do paquete. A corrente de terra (+ Vs) pode perturbar a canle 1, mentres que a corrente de terra (-vs) pode que non.

enviar

Para evitar este problema, deixe que a corrente de terra perturbe a entrada, pero deixe que a corrente do PCB flúa dun xeito espacialmente lineal. Para conseguilo, o condensador de derivación pódese dispor no PCB de tal xeito que as correntes de terra (+ Vs) e (- Vs) flúen polo mesmo camiño. Se o sinal de entrada é igualmente perturbado por correntes positivas e negativas, non se producirá distorsión. Polo tanto, aliñe os dous condensadores de derivación un ao lado do outro para que compartan un punto de terra. Debido a que os dous compoñentes polares da corrente de terra proveñen do mesmo punto (a protección do conector de saída ou a masa de carga) e ambos volven ao mesmo punto (a conexión de terra común do condensador de derivación), a corrente positiva / negativa flúe o mesmo camiño. Se a resistencia de entrada dunha canle é perturbada pola corrente (+ Vs), a corrente (- Vs) ten o mesmo efecto nela. 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.

enviar

Para verificar a inferencia anterior, empregáronse dous deseños de PCB diferentes: un deseño sinxelo (Figura 5) e un deseño de baixa distorsión (Figura 6). A distorsión producida polo amplificador de catro operacións FHP3450 usando semicondutores fairchild móstrase na táboa 1. O ancho de banda típico do FHP3450 é de 210 MHz, a inclinación é de 1100 V / us, a corrente de polarización de entrada é de 100 nA e a corrente de funcionamento por canle é 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.

enviar

Without an ideal quad amplifier on a PCB, measuring the effects of a single amplifier channel can be difficult. Obviamente, unha determinada canle de amplificador perturba non só a súa propia entrada, senón tamén a entrada doutras canles. The earth current flows through all the different channel inputs and produces different effects, but is influenced by each output, which is measurable.

A táboa 2 mostra os harmónicos medidos noutras canles non conducidas cando só se acciona unha canle. A canle non conducida mostra un pequeno sinal (diafonía) á frecuencia fundamental, pero tamén produce distorsións introducidas directamente pola corrente de terra en ausencia de calquera sinal fundamental significativo. A disposición de baixa distorsión da figura 6 mostra que as características da segunda distorsión harmónica e total (THD) melloran moito debido á case eliminación do efecto de corrente do chan.

enviar

Resumo deste artigo

Simplemente, nun PCB, a corrente de reflujo flúe a través de diferentes condensadores de derivación (para diferentes fontes de alimentación) e a propia fonte de alimentación, que é proporcional á súa condutividade. A corrente de sinal de alta frecuencia regresa ao condensador de derivación pequeno. As correntes de baixa frecuencia, como as dos sinais de audio, poden fluír principalmente a través de condensadores de derivación máis grandes. Incluso unha corrente de frecuencia máis baixa pode “ignorar” a capacidade de derivación completa e regresar directamente ao cable de alimentación. A aplicación específica determinará cal é a ruta actual máis 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.

A regra de ouro para o deseño de PCB HF é manter o condensador de derivación HF o máis preto posible do pin de potencia empaquetado, pero unha comparación da Figura 5 e a Figura 6 mostra que modificar esta regra para mellorar as características de distorsión non fai moita diferenza. As características de distorsión melloradas foron a costa de engadir aproximadamente 0.15 polgadas de cableado de condensador de derivación de alta frecuencia, pero isto tivo pouco impacto no rendemento de resposta de CA do FHP3450. O deseño do PCB é importante para maximizar o rendemento dun amplificador de alta calidade e os problemas aquí discutidos non se limitan aos amplificadores hf. Os sinais de menor frecuencia, como o audio, requiren distorsións moito máis estritas. O efecto de corrente de terra é menor a baixas frecuencias, pero aínda pode ser un problema importante se o índice de distorsión requirido mellórase en consecuencia.