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। करंट तब लोड ग्राउंड टर्मिनल (या पीसीबी आउटपुट कनेक्टर के परिरक्षण) से बायपास कैपेसिटर के माध्यम से ग्राउंड प्लेन में वापस जाता है, और उस स्रोत पर वापस जाता है जो मूल रूप से करंट की आपूर्ति करता है।

प्रतिबाधा के माध्यम से धारा के न्यूनतम पथ की अवधारणा गलत है। सभी विभिन्न प्रतिबाधा पथों में धारा की मात्रा इसकी चालकता के समानुपाती होती है। 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। बैकफ्लो करंट वह है जो वास्तव में समस्या पैदा कर रहा है।

पीसीबी डिजाइन में हार्मोनिक विकृति को कैसे कम करें

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”। यदि ग्राउंड करंट के एक ध्रुवीय घटक का एक महत्वपूर्ण हिस्सा इनपुट सर्किट की जमीन से बहता है, तो सिग्नल का केवल वह ध्रुवीय घटक परेशान होता है। 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।फूरियर ट्रांसफॉर्म से पता चलता है कि विरूपण तरंग -68 डीबीसी पर लगभग सभी दूसरे हार्मोनिक्स हैं। 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। जब ग्राउंड करंट पाथ के कारण सिंगल ऑपरेशनल एम्पलीफायर का आउटपुट विकृत हो जाता है, तो बायपास लूप को फिर से व्यवस्थित करके और इनपुट डिवाइस से दूरी बनाए रखते हुए ग्राउंड करंट फ्लो को एडजस्ट किया जा सकता है, जैसा कि चित्र 4 में दिखाया गया है।

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मल्टीएम्पलीफायर चिप

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। क्योंकि परिणामी अशांति समान है, ध्रुवता की परवाह किए बिना, कोई विकृति नहीं है, लेकिन चैनल के लाभ में एक छोटा सा परिवर्तन होगा, जैसा कि चित्र 6 में दिखाया गया है।

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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 जैसा कि तालिका 1 से देखा जा सकता है, चैनल जितना अधिक विकृत होगा, सुधार उतना ही बेहतर होगा, ताकि चार चैनल प्रदर्शन में लगभग समान हों।

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एक पीसीबी पर एक आदर्श क्वाड एम्पलीफायर के बिना, एकल एम्पलीफायर चैनल के प्रभावों को मापना मुश्किल हो सकता है। जाहिर है, एक दिया गया एम्पलीफायर चैनल न केवल अपने स्वयं के इनपुट को, बल्कि अन्य चैनलों के इनपुट को भी परेशान करता है। अर्थ करंट सभी अलग-अलग चैनल इनपुट के माध्यम से बहता है और अलग-अलग प्रभाव पैदा करता है, लेकिन प्रत्येक आउटपुट से प्रभावित होता है, जो मापने योग्य होता है।

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। सौभाग्य से, आउटपुट साइड पर एक सामान्य ग्राउंड पॉइंट और ग्राउंड बायपास कैपेसिटर का उपयोग करके पूरे ग्राउंड करंट पथ की रक्षा करना आसान है।

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।