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. A corrente entón viaxa desde o terminal de terra de carga (ou blindaxe do conector de saída do PCB) de volta ao plano de terra, a través do condensador de derivación e de volta á fonte que orixinalmente subministrou a corrente.

O concepto de percorrido mínimo de corrente a través da impedancia é incorrecto. A cantidade de corrente en todos os camiños de impedancia é proporcional á súa condutividade. 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.

Como reducir a distorsión armónica no deseño de PCB

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”. Se unha porción significativa dun compoñente polar da corrente de terra flúe polo chan do circuíto de entrada, só se perturba ese compoñente polar do sinal. 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.

Como reducir a distorsión armónica no deseño de PCB

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.A transformada de Fourier mostra que a forma de onda de distorsión é case todos os segundos harmónicos a -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. Cando a saída dun único amplificador operativo está distorsionada debido ao traxecto de corrente de terra, o fluxo de corrente de terra pódese axustar reordenando o lazo de derivación e mantendo a distancia do dispositivo de entrada, como se mostra na Figura 4.

Como reducir a distorsión armónica no deseño de PCB

Chip multiamplificador

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.

Como reducir a distorsión armónica no deseño de PCB

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.

Como reducir a distorsión armónica no deseño de PCB

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. Debido a que a perturbación resultante é a mesma independentemente da polaridade, non hai distorsión, pero producirase un pequeno cambio na ganancia da canle, como se mostra na Figura 6.

Como reducir a distorsión armónica no deseño de PCB

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. Como se pode ver na táboa 1, canto máis distorsionada é a canle, mellor será a mellora, de xeito que as catro canles teñen un rendemento case igual.

Como reducir a distorsión armónica no deseño de PCB

Sen un amplificador de quad ideal nun PCB, medir os efectos dunha soa canle de amplificación pode ser difícil. Obviamente, unha determinada canle de amplificador perturba non só a súa propia entrada, senón tamén a entrada doutras canles. A corrente terrestre percorre todas as entradas das canles e produce efectos diferentes, pero está influenciada por cada saída, que é medible.

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.

Como reducir a distorsión armónica no deseño de PCB

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. Afortunadamente, é doado protexer todo o percorrido de corrente de terra usando un punto de terra común e un condensador de derivación de terra no lado de saída.

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.