Bahkan, printed circuit board (PCB) terbuat dari bahan linier listrik, yaitu impedansinya harus konstan. Jadi mengapa PCB memperkenalkan nonlinier menjadi sinyal? Jawabannya adalah bahwa tata letak PCB adalah “spasial non-linier” relatif terhadap tempat arus mengalir.

Apakah penguat menerima arus dari satu sumber atau lainnya tergantung pada polaritas sesaat dari sinyal pada beban. Arus mengalir dari catu daya, melalui kapasitor bypass, melalui amplifier ke beban. Arus kemudian bergerak dari terminal ground beban (atau pelindung konektor output PCB) kembali ke bidang ground, melalui kapasitor bypass, dan kembali ke sumber yang awalnya memasok arus.

Konsep jalur minimum arus melalui impedansi tidak benar. Jumlah arus di semua jalur impedansi yang berbeda sebanding dengan konduktivitasnya. Dalam bidang tanah, seringkali ada lebih dari satu jalur impedansi rendah yang melaluinya sebagian besar arus tanah mengalir: satu jalur terhubung langsung ke kapasitor bypass; Yang lain menggairahkan resistor input sampai kapasitor bypass tercapai. Gambar 1 mengilustrasikan dua jalur ini. Arus balik adalah apa yang benar-benar menyebabkan masalah.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Ketika kapasitor bypass ditempatkan pada posisi yang berbeda pada PCB, arus ground mengalir melalui jalur yang berbeda ke masing-masing kapasitor bypass, yang merupakan arti dari “nonlinier spasial”. Jika sebagian besar komponen kutub arus arde mengalir melalui arde rangkaian input, hanya komponen kutub sinyal yang terganggu. Jika polaritas lain dari arus ground tidak terganggu, tegangan sinyal input berubah secara nonlinier. Ketika satu komponen polaritas diubah tetapi polaritas lainnya tidak, distorsi terjadi dan dimanifestasikan sebagai distorsi harmonik kedua dari sinyal output. Gambar 2 menunjukkan efek distorsi ini dalam bentuk yang dilebih-lebihkan.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Ketika hanya satu komponen kutub dari gelombang sinus yang terganggu, bentuk gelombang yang dihasilkan bukan lagi gelombang sinus. Mensimulasikan penguat ideal dengan beban 100- dan menghubungkan arus beban melalui resistor 1- ke tegangan ground hanya pada satu polaritas sinyal, menghasilkan gambar 3.Transformasi Fourier menunjukkan bahwa bentuk gelombang distorsi hampir semua harmonik kedua pada -68 DBC. Pada frekuensi tinggi, tingkat kopling ini mudah dihasilkan pada PCB, yang dapat menghancurkan karakteristik anti-distorsi yang sangat baik dari penguat tanpa menggunakan banyak efek nonlinier khusus dari PCB. Ketika output dari penguat operasional tunggal terdistorsi karena jalur arus ground, aliran arus ground dapat disesuaikan dengan mengatur ulang loop bypass dan menjaga jarak dari perangkat input, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Chip multi-penguat

Masalah chip multi-penguat (dua, tiga, atau empat amplifier) ​​diperparah oleh ketidakmampuan untuk menjaga koneksi tanah kapasitor bypass jauh dari seluruh input. Hal ini terutama berlaku untuk empat amplifier. Chip quad-amplifier memiliki terminal input di setiap sisi, sehingga tidak ada ruang untuk sirkuit bypass yang mengurangi gangguan pada saluran input.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Gambar 5 menunjukkan pendekatan sederhana untuk tata letak empat penguat. Sebagian besar perangkat terhubung langsung ke pin penguat quad. Arus arde dari satu catu daya dapat mengganggu tegangan arde input dan arus arde dari catu daya saluran lainnya, yang mengakibatkan distorsi. Misalnya, kapasitor bypass (+Vs) pada saluran 1 dari penguat quad dapat ditempatkan secara langsung berdekatan dengan inputnya; Kapasitor bypass (-Vs) dapat ditempatkan di sisi lain paket. Arus ground (+Vs) dapat mengganggu saluran 1, sedangkan arus ground (-vs) mungkin tidak.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Untuk menghindari masalah ini, biarkan arus ground mengganggu input, tetapi biarkan arus PCB mengalir dengan cara linier spasial. Untuk mencapai hal ini, kapasitor bypass dapat diatur pada PCB sedemikian rupa sehingga arus ground (+Vs) dan (– Vs) mengalir melalui jalur yang sama. Jika sinyal input sama-sama terganggu oleh arus positif dan negatif, distorsi tidak akan terjadi. Oleh karena itu, sejajarkan kedua kapasitor bypass di samping satu sama lain sehingga mereka berbagi titik arde. Karena dua komponen kutub arus arde berasal dari titik yang sama (pelindung konektor output atau ground beban) dan keduanya mengalir kembali ke titik yang sama (koneksi arde bersama kapasitor bypass), arus positif/negatif mengalir melalui jalan yang sama. Jika resistansi input saluran terganggu oleh arus (+Vs), arus (– Vs) memiliki efek yang sama padanya. Karena gangguan yang dihasilkan adalah sama terlepas dari polaritasnya, maka tidak ada distorsi, tetapi akan terjadi perubahan kecil pada penguatan saluran, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Untuk memverifikasi kesimpulan di atas, dua tata letak PCB yang berbeda digunakan: tata letak sederhana (Gambar 5) dan tata letak distorsi rendah (Gambar 6). Distorsi yang dihasilkan oleh penguat quad-operasional FHP3450 menggunakan semikonduktor fairchild ditunjukkan pada tabel 1. Bandwidth tipikal FHP3450 adalah 210MHz, kemiringannya 1100V/us, arus bias input 100nA, dan arus operasi per saluran adalah 3.6 mA. Seperti dapat dilihat dari Tabel 1, semakin terdistorsi saluran, semakin baik peningkatannya, sehingga keempat saluran tersebut hampir sama kinerjanya.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Tanpa amplifier quad yang ideal pada PCB, mengukur efek dari saluran amplifier tunggal bisa jadi sulit. Jelas, saluran penguat yang diberikan tidak hanya mengganggu inputnya sendiri, tetapi juga input saluran lain. Arus bumi mengalir melalui semua input saluran yang berbeda dan menghasilkan efek yang berbeda, tetapi dipengaruhi oleh setiap output, yang dapat diukur.

Tabel 2 menunjukkan harmonik yang diukur pada saluran tidak digerakkan lainnya ketika hanya satu saluran yang digerakkan. Saluran yang tidak digerakkan menampilkan sinyal kecil (crosstalk) pada frekuensi dasar, tetapi juga menghasilkan distorsi yang secara langsung diperkenalkan oleh arus ground tanpa adanya sinyal fundamental yang signifikan. Tata letak distorsi rendah pada Gambar 6 menunjukkan bahwa karakteristik harmonik kedua dan distorsi harmonik total (THD) sangat meningkat karena efek arus tanah yang hampir eliminasi.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Ringkasan artikel ini

Sederhananya, pada PCB, arus balik mengalir melalui kapasitor bypass yang berbeda (untuk catu daya yang berbeda) dan catu daya itu sendiri, yang sebanding dengan konduktivitasnya. Arus sinyal frekuensi tinggi mengalir kembali ke kapasitor bypass kecil. Arus frekuensi rendah, seperti sinyal audio, dapat mengalir terutama melalui kapasitor bypass yang lebih besar. Bahkan arus frekuensi yang lebih rendah dapat “mengabaikan” kapasitansi bypass penuh dan mengalir langsung kembali ke kabel daya. Aplikasi spesifik akan menentukan jalur mana yang paling kritis. Untungnya, mudah untuk melindungi seluruh jalur arus arde dengan menggunakan titik arde bersama dan kapasitor bypass arde di sisi keluaran.

Aturan utama untuk tata letak PCB HF adalah menjaga kapasitor bypass HF sedekat mungkin dengan pin daya yang dikemas, tetapi perbandingan Gambar 5 dan Gambar 6 menunjukkan bahwa memodifikasi aturan ini untuk meningkatkan karakteristik distorsi tidak membuat banyak perbedaan. Karakteristik distorsi yang ditingkatkan datang dengan mengorbankan penambahan sekitar 0.15 inci kabel kapasitor bypass frekuensi tinggi, tetapi ini berdampak kecil pada kinerja respons AC FHP3450. Tata letak PCB penting untuk memaksimalkan kinerja amplifier berkualitas tinggi, dan masalah yang dibahas di sini tidak terbatas pada amplifier hf. Sinyal frekuensi rendah seperti audio memiliki persyaratan distorsi yang jauh lebih ketat. Efek arus tanah lebih kecil pada frekuensi rendah, tetapi mungkin masih menjadi masalah penting jika indeks distorsi yang diperlukan ditingkatkan.