वास्तव में, मुद्रित सर्किट बोर्ड (पीसीबी) विद्युत रैखिक सामग्री से बने होते हैं, अर्थात उनकी प्रतिबाधा स्थिर होनी चाहिए। तो एक पीसीबी सिग्नल में गैर-रैखिकता क्यों पेश करता है? इसका उत्तर यह है कि पीसीबी लेआउट “स्थानिक रूप से गैर-रैखिक” है जहां वर्तमान प्रवाह होता है।

एम्पलीफायर एक स्रोत या किसी अन्य से करंट प्राप्त करता है या नहीं, यह लोड पर सिग्नल की तात्कालिक ध्रुवता पर निर्भर करता है। बिजली की आपूर्ति से, बाईपास कैपेसिटर के माध्यम से, एम्पलीफायर के माध्यम से लोड में करंट प्रवाहित होता है। 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. एक ग्राउंड प्लेन में, अक्सर एक से अधिक निम्न-प्रतिबाधा पथ होते हैं जिसके माध्यम से ग्राउंड करंट का एक बड़ा हिस्सा प्रवाहित होता है: एक पथ सीधे बायपास कैपेसिटर से जुड़ा होता है; दूसरा बायपास कैपेसिटर तक पहुंचने तक इनपुट रोकनेवाला को उत्तेजित करता है। चित्र 1 इन दो रास्तों को दिखाता है। The backflow current is what’s really causing the problem.

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जब बाईपास कैपेसिटर को पीसीबी पर अलग-अलग पदों पर रखा जाता है, तो ग्राउंड करंट अलग-अलग रास्तों से होकर संबंधित बाईपास कैपेसिटर तक जाता है, जिसका अर्थ है “स्थानिक गैर-रैखिकता”। 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. यदि ग्राउंड करंट की अन्य ध्रुवता को भंग नहीं किया जाता है, तो इनपुट सिग्नल वोल्टेज एक गैर-रेखीय तरीके से बदल जाता है। जब एक ध्रुवीयता घटक को बदल दिया जाता है, लेकिन दूसरी ध्रुवीयता नहीं होती है, तो विरूपण होता है और आउटपुट सिग्नल के दूसरे हार्मोनिक विरूपण के रूप में प्रकट होता है। चित्र 2 इस विकृति प्रभाव को अतिरंजित रूप में दिखाता है।

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जब साइन वेव का केवल एक ध्रुवीय घटक परेशान होता है, तो परिणामी तरंग अब साइन वेव नहीं रह जाती है। 100-ω लोड के साथ एक आदर्श एम्पलीफायर का अनुकरण करना और सिग्नल की केवल एक ध्रुवता पर ग्राउंड वोल्टेज में 1-ω रोकनेवाला के माध्यम से लोड करंट को युग्मित करना, परिणाम 3 में होता है। Fourier transform shows that the distortion waveform is almost all the second harmonics at -68 DBC. उच्च आवृत्तियों पर, एक पीसीबी पर युग्मन का यह स्तर आसानी से उत्पन्न होता है, जो एक पीसीबी के विशेष गैर-रेखीय प्रभावों का सहारा लिए बिना एक एम्पलीफायर की उत्कृष्ट विरूपण-विरोधी विशेषताओं को नष्ट कर सकता है। 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

मल्टी-एम्पलीफायर चिप्स (दो, तीन, या चार एम्पलीफायरों) की समस्या बाईपास कैपेसिटर के ग्राउंड कनेक्शन को पूरे इनपुट से दूर रखने में असमर्थता से जटिल है। यह चार एम्पलीफायरों के लिए विशेष रूप से सच है। क्वाड-एम्पलीफायर चिप्स में प्रत्येक तरफ इनपुट टर्मिनल होते हैं, इसलिए बाईपास सर्किट के लिए कोई जगह नहीं होती है जो इनपुट चैनल में गड़बड़ी को कम करती है।

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चित्रा 5 चार-एम्पलीफायर लेआउट के लिए एक सरल दृष्टिकोण दिखाता है। अधिकांश डिवाइस सीधे क्वाड एम्पलीफायर पिन से जुड़ते हैं। एक बिजली की आपूर्ति का ग्राउंड करंट इनपुट ग्राउंड वोल्टेज और दूसरे चैनल की बिजली आपूर्ति के ग्राउंड करंट को परेशान कर सकता है, जिसके परिणामस्वरूप विकृति हो सकती है। उदाहरण के लिए, क्वाड एम्पलीफायर के चैनल 1 पर (+Vs) बाईपास कैपेसिटर को सीधे इसके इनपुट के निकट रखा जा सकता है; (-Vs) बायपास कैपेसिटर को पैकेज के दूसरी तरफ रखा जा सकता है। (+Vs) ग्राउंड करंट चैनल 1 को परेशान कर सकता है, जबकि (-vs) ग्राउंड करंट नहीं हो सकता है।

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इस समस्या से बचने के लिए, ग्राउंड करंट को इनपुट को खराब होने दें, लेकिन पीसीबी को एक स्थानिक रैखिक फैशन में प्रवाहित होने दें। इसे प्राप्त करने के लिए, पीसीबी पर बाईपास कैपेसिटर को इस तरह से व्यवस्थित किया जा सकता है कि (+Vs) और (- Vs) ग्राउंड करंट एक ही रास्ते से प्रवाहित हो। यदि इनपुट सिग्नल समान रूप से सकारात्मक और नकारात्मक धाराओं से परेशान है, तो विरूपण नहीं होगा। इसलिए, दो बाईपास कैपेसिटर को एक दूसरे के बगल में संरेखित करें ताकि वे एक जमीनी बिंदु साझा करें। क्योंकि अर्थ करंट के दो ध्रुवीय घटक एक ही बिंदु (आउटपुट कनेक्टर शील्डिंग या लोड ग्राउंड) से आते हैं और दोनों एक ही बिंदु पर वापस प्रवाहित होते हैं (बायपास कैपेसिटर का सामान्य ग्राउंड कनेक्शन), सकारात्मक/नकारात्मक धारा प्रवाहित होती है एक ही रास्ता। यदि किसी चैनल के इनपुट प्रतिरोध को (+Vs) करंट से परेशान किया जाता है, तो (-Vs) करंट का उस पर समान प्रभाव पड़ता है। 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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उपरोक्त अनुमान को सत्यापित करने के लिए, दो अलग-अलग पीसीबी लेआउट का उपयोग किया गया था: एक साधारण लेआउट (चित्र 5) और एक कम-विरूपण लेआउट (चित्र 6)। फेयरचाइल्ड सेमीकंडक्टर का उपयोग करते हुए FHP3450 क्वाड-ऑपरेशनल एम्पलीफायर द्वारा उत्पादित विरूपण तालिका 1 में दिखाया गया है। FHP3450 की विशिष्ट बैंडविड्थ 210MHz है, ढलान 1100V / us है, इनपुट बायस करंट 100nA है, और प्रति चैनल ऑपरेटिंग करंट 3.6 है। एमए 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. जाहिर है, एक दिया गया एम्पलीफायर चैनल न केवल अपने स्वयं के इनपुट को, बल्कि अन्य चैनलों के इनपुट को भी परेशान करता है। The earth current flows through all the different channel inputs and produces different effects, but is influenced by each output, which is measurable.

तालिका 2 अन्य अविचालित चैनलों पर मापे गए हार्मोनिक्स को दिखाती है जब केवल एक चैनल संचालित होता है। अप्रचलित चैनल मौलिक आवृत्ति पर एक छोटा संकेत (क्रॉसस्टॉक) प्रदर्शित करता है, लेकिन किसी भी महत्वपूर्ण मौलिक संकेत के अभाव में सीधे जमीनी धारा द्वारा शुरू की गई विकृति भी पैदा करता है। चित्रा 6 में कम-विरूपण लेआउट से पता चलता है कि दूसरी हार्मोनिक और कुल हार्मोनिक विरूपण (टीएचडी) विशेषताओं में जमीनी वर्तमान प्रभाव के निकट-उन्मूलन के कारण काफी सुधार हुआ है।

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यह लेख सारांश

सीधे शब्दों में कहें, एक पीसीबी पर, बैकफ्लो करंट अलग-अलग बाईपास कैपेसिटर (विभिन्न बिजली आपूर्ति के लिए) और बिजली की आपूर्ति के माध्यम से प्रवाहित होता है, जो इसकी चालकता के समानुपाती होता है। हाई-फ़्रीक्वेंसी सिग्नल करंट छोटे बाईपास कैपेसिटर में वापस प्रवाहित होता है। कम-आवृत्ति धाराएं, जैसे कि ऑडियो सिग्नल, मुख्य रूप से बड़े बाईपास कैपेसिटर के माध्यम से प्रवाहित हो सकती हैं। यहां तक ​​​​कि एक कम आवृत्ति धारा भी पूर्ण बाईपास समाई को “अवहेलना” कर सकती है और सीधे पावर लीड में प्रवाहित हो सकती है। विशिष्ट एप्लिकेशन यह निर्धारित करेगा कि कौन सा वर्तमान पथ सबसे महत्वपूर्ण है। 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.

एचएफ पीसीबी लेआउट के लिए सुनहरा नियम एचएफ बाईपास कैपेसिटर को जितना संभव हो सके पैक किए गए पावर पिन के करीब रखना है, लेकिन चित्रा 5 और चित्रा 6 की तुलना से पता चलता है कि विरूपण विशेषताओं में सुधार के लिए इस नियम को संशोधित करने से कोई फर्क नहीं पड़ता। उच्च-आवृत्ति बाईपास कैपेसिटर वायरिंग के बारे में 0.15 इंच जोड़ने की कीमत पर बेहतर विरूपण विशेषताएँ आईं, लेकिन इसका FHP3450 के एसी प्रतिक्रिया प्रदर्शन पर बहुत कम प्रभाव पड़ा। उच्च गुणवत्ता वाले एम्पलीफायर के प्रदर्शन को अधिकतम करने के लिए पीसीबी लेआउट महत्वपूर्ण है, और यहां चर्चा की गई समस्याएं एचएफ एम्पलीफायरों तक ही सीमित नहीं हैं। ऑडियो जैसे कम आवृत्ति संकेतों में विरूपण की अधिक सख्त आवश्यकताएं होती हैं। कम आवृत्तियों पर जमीनी धारा का प्रभाव छोटा होता है, लेकिन यह तब भी एक महत्वपूर्ण समस्या हो सकती है यदि आवश्यक विरूपण सूचकांक में तदनुसार सुधार किया जाए।