U stvari, tiskana pločica (PCB) izrađeni su od električnih linearnih materijala, odnosno njihova impedancija treba biti konstantna. Pa zašto PCB uvodi nelinearnost u signal? Odgovor je da je raspored PCB-a “prostorno nelinearan” u odnosu na mjesto gdje struja teče.

Hoće li pojačalo primati struju iz jednog ili drugog izvora ovisi o trenutnom polaritetu signala na opterećenju. Struja teče iz napajanja, preko zaobilaznog kondenzatora, kroz pojačalo u opterećenje. Struja tada putuje od priključka uzemljenja opterećenja (ili oklopa izlaznog priključka PCB -a) natrag do ravnine mase, preko zaobilaznog kondenzatora i natrag do izvora koji je izvorno napajao struju.

Koncept minimalnog puta struje kroz impedanciju nije točan. Količina struje na svim različitim putovima impedancije proporcionalna je njezinoj vodljivosti. U ravnini uzemljenja često postoji više od jedne nisko impedancijske staze kroz koju protiče veliki udio struje uzemljenja: jedna je staza izravno spojena na zaobilazni kondenzator; Druga pobuđuje ulazni otpornik sve dok se ne dosegne zaobilazni kondenzator. Slika 1 prikazuje ta dva puta. Struja povratnog toka je ono što zaista uzrokuje problem.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Kada se zaobilazni kondenzatori postave na različite položaje na PCB -u, struja uzemljenja teče različitim putevima do odgovarajućih zaobilaznih kondenzatora, što je značenje “prostorne nelinearnosti”. Ako značajan dio polarne komponente struje uzemljenja teče kroz tlo ulaznog kruga, samo je ta polarna komponenta signala poremećena. Ako se ne poremeti drugi polaritet struje uzemljenja, napon ulaznog signala se mijenja na nelinearan način. Kada se promijeni jedna komponenta polariteta, a druga nije, dolazi do izobličenja koje se očituje kao drugo harmoničko izobličenje izlaznog signala. Slika 2 prikazuje ovaj učinak izobličenja u pretjeranom obliku.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Kada je poremećena samo jedna polarna komponenta sinusnog vala, rezultirajući valni oblik više nije sinusni val. Simulacija idealnog pojačala s opterećenjem od 100 ω i spajanje struje opterećenja kroz otpornik od 1 ω u napon uzemljenja na samo jednom polaritetu signala rezultira slikom 3.Fourierova transformacija pokazuje da je izobličenje valnog oblika gotovo svi drugi harmonici na -68 DBC. Na visokim frekvencijama ta se razina sprezanja lako stvara na PCB-u, što može uništiti izvrsna svojstva pojačala protiv izobličenja bez pribjegavanja većini posebnih nelinearnih učinaka PCB-a. Kad je izlaz jednog operacijskog pojačala izobličen zbog putanje uzemljenja, protok uzemljenja može se podesiti preuređenjem zaobilazne petlje i održavanjem udaljenosti od ulaznog uređaja, kao što je prikazano na slici 4.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Čip s više pojačala

Problem čipova s ​​više pojačala (dva, tri ili četiri pojačala) pogoršan je nemogućnošću držanja uzemljenja zaobilaznog kondenzatora daleko od cijelog ulaza. To se posebno odnosi na četiri pojačala. Čipovi s četiri pojačala imaju ulazne priključke sa svake strane, tako da nema mjesta za krugove zaobilaženja koji ublažavaju smetnje na ulaznom kanalu.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Slika 5 prikazuje jednostavan pristup rasporedu s četiri pojačala. Većina uređaja spaja se izravno na pin s četiri pojačala. Struja uzemljenja jednog izvora napajanja može poremetiti ulazni napon uzemljenja i struju uzemljenja drugog izvora napajanja kanala, što može dovesti do izobličenja. Na primjer, (+Vs) zaobilazni kondenzator na kanalu 1 četvero pojačala može se postaviti izravno uz njegov ulaz; Zaobilazni kondenzator (-Vs) može se postaviti s druge strane pakiranja. Struja uzemljenja (+Vs) može ometati kanal 1, dok struja uzemljenja (-vs) ne smije.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Da biste izbjegli ovaj problem, dopustite da struja uzemljenja ometa ulaz, ali neka struja PCB -a teče prostorno linearno. Da bi se to postiglo, zaobilazni kondenzator može se postaviti na PCB na takav način da (+Vs) i ( – Vs) struje uzemljenja teku istim putem. Ako ulazni signal podjednako ometaju pozitivna i negativna struja, neće doći do izobličenja. Stoga poravnajte dva zaobilazna kondenzatora jedan do drugog tako da dijele točku uzemljenja. Budući da dvije polarne komponente uzemljenja dolaze iz iste točke (štitnik izlaznog konektora ili masa opterećenja) i obje teku natrag u istu točku (zajedničko uzemljenje na zaobilaznom kondenzatoru), pozitivna/negativna struja teče kroz istim putem. Ako ulazni otpor kanala ometa (+Vs) struja, ( – Vs) struja ima isti učinak na nju. Budući da je rezultirajući poremećaj isti bez obzira na polaritet, nema izobličenja, ali će se dogoditi mala promjena u pojačanju kanala, kao što je prikazano na slici 6.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Za provjeru gornjeg zaključka korištena su dva različita izgleda PCB-a: jednostavan izgled (slika 5) i izgled s niskim izobličenjem (slika 6). Izobličenje koje proizvodi četverooperacijsko pojačalo FHP3450 pomoću fairchild poluvodiča prikazano je u tablici 1. Tipična propusnost FHP3450 je 210MHz, nagib je 1100V/us, ulazna struja pristranosti 100nA, a radna struja po kanalu 3.6 mA. Kao što se može vidjeti iz tablice 1, što je kanal više iskrivljen, to je poboljšanje bolje, tako da su četiri kanala gotovo jednakih performansi.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Bez idealnog četvero pojačala na PCB -u, mjerenje učinaka jednog kanala pojačala može biti teško. Očito, dani kanal pojačala ne ometa samo vlastiti ulaz, već i ulaz drugih kanala. Struja zemlje prolazi kroz sve različite ulaze kanala i proizvodi različite učinke, ali na nju utječe svaki izlaz, koji je mjerljiv.

Tablica 2 prikazuje harmonike izmjerene na drugim neprohodnim kanalima kada se pokreće samo jedan kanal. Nedefinirani kanal prikazuje mali signal (preslušavanje) na osnovnoj frekvenciji, ali također proizvodi izobličenja koja izravno unosi struja uzemljenja u nedostatku značajnijeg temeljnog signala. Raspored s niskim izobličenjem na slici 6 pokazuje da su karakteristike drugog harmonika i totalnog harmonijskog izobličenja (THD) znatno poboljšane zbog gotovo eliminiranja efekta uzemljenja.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Sažetak ovog članka

Jednostavno rečeno, na PCB -u struja povratnog toka teče kroz različite zaobilazne kondenzatore (za različita napajanja) i samo napajanje, što je proporcionalno njegovoj vodljivosti. Struja visokofrekventnog signala teče natrag u mali zaobilazni kondenzator. Struje niske frekvencije, poput zvučnih signala, mogu protjecati prvenstveno kroz veće zaobilazne kondenzatore. Čak i niža frekvencija struje može “zanemariti” puni kapacitet premosnice i teći izravno natrag do napajanja. Određena aplikacija će odrediti koji je trenutni put najkritičniji. Srećom, lako je zaštititi cijeli put uzemljenja pomoću zajedničke točke uzemljenja i kondenzatora zaobilaznog uzemljenja na izlaznoj strani.

Zlatno pravilo za raspored VF PCB -a je držanje VF premosnog kondenzatora što je moguće bliže zapakiranom priključku za napajanje, ali usporedba slika 5 i 6 pokazuje da izmjena ovog pravila radi poboljšanja karakteristika izobličenja nema velike razlike. Poboljšane karakteristike izobličenja nastale su na račun dodavanja oko 0.15 inča visokofrekventnog zaobilaznog ožičenja kondenzatora, ali to je imalo mali utjecaj na performanse odziva izmjenične struje FHP3450. Raspored PCB-a važan je za maksimiziranje performansi visokokvalitetnog pojačala, a pitanja o kojima se ovdje raspravlja nisu ograničena na hf pojačala. Signali niže frekvencije, poput zvuka, imaju mnogo strože zahtjeve za izobličenje. Učinak struje uzemljenja manji je na niskim frekvencijama, ali može i dalje biti važan problem ako se odgovarajući indeks izobličenja u skladu s tim poboljša.