Tény, nyomtatott áramkör (PCB) are made of electrical linear materials, i.e. their impedance should be constant. Tehát miért vezet be egy NYÁK nemlinearitást a jelbe? A válasz az, hogy a NYÁK elrendezés „térben nem lineáris” ahhoz képest, ahol az áram folyik.

Az, hogy az erősítő kap -e áramot egyik vagy másik forrásból, a terhelésen lévő jel pillanatnyi polaritásától függ. Current flows from the power supply, through the bypass capacitor, through the amplifier into the load. 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. In a ground plane, there is often more than one low-impedance path through which a large proportion of ground current flows: one path is directly connected to the bypass capacitor; A másik addig gerjeszti a bemeneti ellenállást, amíg el nem éri a bypass kondenzátort. Az 1. ábra ezt a két utat szemlélteti. The backflow current is what’s really causing the problem.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Amikor a bypass kondenzátorokat a NYÁK különböző pontjain helyezik el, a földáram különböző utakon keresztül áramlik a megfelelő bypass kondenzátorokhoz, ami a „térbeli nemlinearitás” jelentése. 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. If the other polarity of the ground current is not disturbed, the input signal voltage changes in a nonlinear manner. Ha az egyik polaritáskomponenst megváltoztatják, de a másik polaritást nem, akkor torzítás következik be, és ez a kimeneti jel második harmonikus torzításaként nyilvánul meg. A 2. ábra ezt a torzító hatást mutatja túlzó formában.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Ha a szinuszhullámnak csak az egyik poláris komponense zavart, a kapott hullámforma már nem szinuszhullám. Egy ideális erősítő szimulálása 100 ω terheléssel, és a terhelési áram 1 ω ellenálláson keresztüli csatlakoztatása a földfeszültséghez a jel egyetlen polaritásán, a 3. ábrán látható.Fourier transform shows that the distortion waveform is almost all the second harmonics at -68 DBC. Magas frekvenciákon ez a szintű csatolás könnyen generálható egy NYÁK-on, ami tönkreteheti az erősítő kiváló torzításgátló tulajdonságait anélkül, hogy igénybe venné a NYÁK speciális nemlineáris hatásait. 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.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Multiamplifier chip

A többerősítő chipek (két, három vagy négy erősítő) problémáját súlyosbítja az a képtelenség, hogy a bypass kondenzátor földelő csatlakozását távol tartsa a teljes bemenettől. Ez különösen igaz négy erősítőre. A négyerősítő chipek mindkét oldalán bemeneti csatlakozók találhatók, így nincs helye a bypass áramköröknek, amelyek enyhítik a bemeneti csatorna zavarait.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Az 5. ábra a négyerősítő elrendezés egyszerű megközelítését mutatja. A legtöbb eszköz közvetlenül csatlakozik egy négyerősítő tűhöz. Az egyik tápegység földelőára megzavarhatja a másik csatorna tápegységének bemeneti földelőfeszültségét és földelő áramát, ami torzulást okozhat. Például a (+Vs) bypass kondenzátor a négyerősítő 1. csatornáján közvetlenül a bemenete mellé helyezhető; A (-Vs) bypass kondenzátor a csomag másik oldalán helyezhető el. A (+Vs) földáram zavarhatja az 1. csatornát, míg a (-vs) földáram nem.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

A probléma elkerülése érdekében hagyja, hogy a földáram zavarja a bemenetet, de hagyja, hogy a NYÁK áramlása térben lineáris módon folyjon. Ennek elérése érdekében a bypass kondenzátort úgy lehet elrendezni a NYÁK -on, hogy a (+Vs) és ( – Vs) földáramok ugyanazon az úton haladjanak át. Ha a bemeneti jelet egyformán zavarják a pozitív és negatív áramok, akkor nem fordul elő torzítás. Ezért illessze a két bypass kondenzátort egymás mellé úgy, hogy közös földelési pontjuk legyen. Mivel a földelőáram két poláris összetevője ugyanabból a pontból származik (a kimeneti csatlakozó árnyékolása vagy a terhelés földje), és mindkettő visszafolyik ugyanabba a pontba (a bypass kondenzátor közös földelőcsatlakozása), a pozitív/negatív áram áthalad ugyanazt az utat. Ha egy csatorna bemeneti ellenállását megzavarja a (+Vs) áram, akkor a ( – Vs) áram ugyanolyan hatással van rá. 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.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

A fenti következtetés igazolására két különböző NYÁK-elrendezést használtunk: egyszerű elrendezést (5. ábra) és alacsony torzítású elrendezést (6. ábra). Az FHP3450 négyműveleti erősítő által létrehozott torzítás fairchild félvezetőt használva az 1. táblázatban látható. Az FHP3450 tipikus sávszélessége 210 MHz, a meredekség 1100 V/us, a bemeneti torzítóáram 100 nA, és az üzemi áram csatornánként 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.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Without an ideal quad amplifier on a PCB, measuring the effects of a single amplifier channel can be difficult. Nyilvánvaló, hogy egy adott erősítő csatorna nemcsak a saját bemenetét zavarja, hanem a többi csatorna bemenetét is. The earth current flows through all the different channel inputs and produces different effects, but is influenced by each output, which is measurable.

A 2. táblázat a többi hajtatlan csatornán mért felharmonikusokat mutatja, ha csak egy csatorna van meghajtva. A nem hajtott csatorna egy kis jelet (áthallást) jelenít meg az alapfrekvencián, de torzítást is generál, amelyet közvetlenül a földáram vezet be jelentős alapvető jel hiányában. Az alacsony torzítású elrendezés a 6. ábrán azt mutatja, hogy a második harmonikus és teljes harmonikus torzítás (THD) jellemzők jelentősen javultak a földáramhatás közel megszűnése miatt.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Ez a cikk összefoglalója

Simply put, on a PCB, the backflow current flows through different bypass capacitors (for different power supplies) and the power supply itself, which is proportional to its conductivity. A nagyfrekvenciás jeláram visszaáramlik a kis bypass kondenzátorba. Az alacsony frekvenciájú áramok, például az audiojelek, elsősorban nagyobb bypass kondenzátorokon keresztül áramolhatnak. Még egy alacsonyabb frekvenciájú áram is figyelmen kívül hagyhatja a teljes bypass kapacitást, és közvetlenül visszaáramolhat a tápkábelbe. Az adott alkalmazás határozza meg, hogy melyik aktuális út a legkritikusabb. 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 HF PCB elrendezés aranyszabálya, hogy a HF bypass kondenzátort a lehető legközelebb kell tartani a csomagolt hálózati csatlakozóhoz, de az 5. ábra és a 6. ábra összehasonlítása azt mutatja, hogy ennek a szabálynak a módosítása a torzítási jellemzők javítása érdekében nem sok különbséget jelent. A javított torzítási jellemzők rovására történt, hogy hozzávetőleg 0.15 hüvelykes nagyfrekvenciás bypass kondenzátor kábeleket adtak hozzá, de ez kevés hatással volt az FHP3450 váltakozó áramú válasz teljesítményére. A PCB elrendezés fontos a kiváló minőségű erősítő teljesítményének maximalizálása érdekében, és az itt tárgyalt kérdések nem korlátozódnak a hf erősítőkre. Az alacsonyabb frekvenciájú jelek, például az audio, sokkal szigorúbb torzítási követelményeket támasztanak. A földáram hatása alacsonyabb frekvenciákon kisebb, de továbbra is fontos probléma lehet, ha a szükséges torzítási indexet ennek megfelelően javítják.