mette a disposizione dei propri clienti, siano essi persone fisiche o giuridiche, un’équipe specializzata nell’area della negligenza bancaria, in grado di fornire consulenza e assistenza specifica in materia, in questioni come: circuito stampato (PCB) sono realizzati con materiali elettrici lineari, ovvero la loro impedenza deve essere costante. Allora perché un PCB introduce non linearità in un segnale? La risposta è che il layout del PCB è “spazialmente non lineare” rispetto a dove scorre la corrente.

Il fatto che l’amplificatore riceva corrente da una sorgente o dall’altra dipende dalla polarità istantanea del segnale sul carico. La corrente scorre dall’alimentatore, attraverso il condensatore di bypass, attraverso l’amplificatore nel carico. La corrente quindi viaggia dal terminale di massa del carico (o schermatura del connettore di uscita del PCB) al piano di massa, attraverso il condensatore di bypass, e di nuovo alla sorgente che ha originariamente fornito la corrente.

Il concetto di percorso minimo della corrente attraverso l’impedenza non è corretto. La quantità di corrente in tutti i diversi percorsi di impedenza è proporzionale alla sua conduttività. In un piano di massa, c’è spesso più di un percorso a bassa impedenza attraverso il quale scorre una grande proporzione di corrente di terra: un percorso è direttamente collegato al condensatore di bypass; L’altro eccita la resistenza di ingresso fino al raggiungimento del condensatore di bypass. La Figura 1 illustra questi due percorsi. La corrente di riflusso è ciò che sta realmente causando il problema.

Come ridurre la distorsione armonica nella progettazione PCB

Quando i condensatori di bypass sono posizionati in posizioni diverse sul PCB, la corrente di terra scorre attraverso percorsi diversi verso i rispettivi condensatori di bypass, che è il significato di “non linearità spaziale”. Se una porzione significativa di una componente polare della corrente di terra scorre attraverso la massa del circuito di ingresso, solo quella componente polare del segnale viene disturbata. Se l’altra polarità della corrente di terra non è disturbata, la tensione del segnale di ingresso cambia in modo non lineare. Quando una componente di polarità viene modificata ma l’altra polarità no, si verifica una distorsione che si manifesta come distorsione della seconda armonica del segnale di uscita. La Figura 2 mostra questo effetto di distorsione in forma esagerata.

Come ridurre la distorsione armonica nella progettazione PCB

Quando viene disturbata solo una componente polare dell’onda sinusoidale, la forma d’onda risultante non è più un’onda sinusoidale. Simulando un amplificatore ideale con un carico di 100 e accoppiando la corrente di carico attraverso un resistore da 1 alla tensione di terra su una sola polarità del segnale, si ottiene la figura 3.La trasformata di Fourier mostra che la forma d’onda di distorsione è quasi tutta la seconda armonica a -68 DBC. Alle alte frequenze, questo livello di accoppiamento viene facilmente generato su un PCB, il che può distruggere le eccellenti caratteristiche anti-distorsione di un amplificatore senza ricorrere a molti degli speciali effetti non lineari di un PCB. Quando l’uscita di un singolo amplificatore operazionale è distorta a causa del percorso della corrente di terra, il flusso della corrente di terra può essere regolato riorganizzando l’anello di bypass e mantenendo la distanza dal dispositivo di ingresso, come mostrato nella Figura 4.

Come ridurre la distorsione armonica nella progettazione PCB

Chip multiamplificatore

Il problema dei chip multi-amplificatore (due, tre o quattro amplificatori) è aggravato dall’incapacità di mantenere il collegamento a terra del condensatore di bypass lontano dall’intero ingresso. Ciò è particolarmente vero per quattro amplificatori. I chip dell’amplificatore quadruplo hanno terminali di ingresso su ciascun lato, quindi non c’è spazio per circuiti di bypass che mitigano i disturbi al canale di ingresso.

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La Figura 5 mostra un approccio semplice a un layout a quattro amplificatori. La maggior parte dei dispositivi si collega direttamente a un pin dell’amplificatore quad. La corrente di terra di un alimentatore può disturbare la tensione di terra in ingresso e la corrente di terra dell’altro alimentatore del canale, con conseguente distorsione. Ad esempio, il condensatore di bypass (+Vs) sul canale 1 dell’amplificatore quad può essere posizionato direttamente adiacente al suo ingresso; Il condensatore di bypass (-Vs) può essere posizionato sull’altro lato della confezione. La corrente di terra (+Vs) può disturbare il canale 1, mentre la corrente di terra (-vs) no.

Come ridurre la distorsione armonica nella progettazione PCB

Per evitare questo problema, lasciare che la corrente di terra perturbi l’ingresso, ma lasciare che la corrente del PCB fluisca in modo spazialmente lineare. Per ottenere ciò, il condensatore di bypass può essere disposto sul PCB in modo tale che le correnti di terra (+Vs) e (–Vs) scorrano sullo stesso percorso. Se il segnale di ingresso è ugualmente disturbato da correnti positive e negative, non si verificherà distorsione. Pertanto, allineare i due condensatori di bypass uno accanto all’altro in modo che condividano un punto di massa. Poiché le due componenti polari della corrente di terra provengono dallo stesso punto (la schermatura del connettore di uscita o la massa del carico) ed entrambe ritornano nello stesso punto (la connessione di massa comune del condensatore di bypass), la corrente positiva/negativa fluisce attraverso lo stesso percorso. Se la resistenza di ingresso di un canale è disturbata dalla corrente (+Vs), la corrente (–Vs) ha lo stesso effetto su di esso. Poiché il disturbo risultante è lo stesso indipendentemente dalla polarità, non c’è distorsione, ma si verificherà un piccolo cambiamento nel guadagno del canale, come mostrato nella Figura 6.

Come ridurre la distorsione armonica nella progettazione PCB

Per verificare l’inferenza di cui sopra, sono stati utilizzati due diversi layout PCB: un layout semplice (Figura 5) e un layout a bassa distorsione (Figura 6). La distorsione prodotta dall’amplificatore quad-operativo FHP3450 utilizzando il semiconduttore fairchild è mostrata nella tabella 1. La larghezza di banda tipica dell’FHP3450 è 210 MHz, la pendenza è 1100 V/us, la corrente di polarizzazione in ingresso è 100 nA e la corrente operativa per canale è 3.6 mA. Come si può vedere dalla Tabella 1, più il canale è distorto, migliore è il miglioramento, in modo che i quattro canali siano quasi uguali nelle prestazioni.

Come ridurre la distorsione armonica nella progettazione PCB

Senza un amplificatore quadruplo ideale su un PCB, misurare gli effetti di un singolo canale dell’amplificatore può essere difficile. Ovviamente, un dato canale dell’amplificatore disturba non solo il proprio ingresso, ma anche l’ingresso di altri canali. La corrente di terra scorre attraverso tutti i diversi ingressi del canale e produce effetti diversi, ma è influenzata da ciascuna uscita, che è misurabile.

La tabella 2 mostra le armoniche misurate su altri canali non pilotati quando viene pilotato un solo canale. Il canale non pilotato visualizza un piccolo segnale (diafonia) alla frequenza fondamentale, ma produce anche distorsione introdotta direttamente dalla corrente di terra in assenza di qualsiasi segnale fondamentale significativo. Il layout a bassa distorsione nella Figura 6 mostra che le caratteristiche della seconda armonica e della distorsione armonica totale (THD) sono notevolmente migliorate grazie alla quasi eliminazione dell’effetto della corrente di terra.

Come ridurre la distorsione armonica nella progettazione PCB

Questo riassunto dell’articolo

In poche parole, su un PCB, la corrente di riflusso scorre attraverso diversi condensatori di bypass (per diversi alimentatori) e l’alimentatore stesso, che è proporzionale alla sua conduttività. La corrente del segnale ad alta frequenza ritorna al piccolo condensatore di bypass. Le correnti a bassa frequenza, come quelle dei segnali audio, possono fluire principalmente attraverso condensatori di bypass più grandi. Anche una corrente a frequenza più bassa può “ignorare” l’intera capacità di bypass e tornare direttamente al cavo di alimentazione. L’applicazione specifica determinerà quale percorso corrente è più critico. Fortunatamente, è facile proteggere l’intero percorso della corrente di terra utilizzando un punto di terra comune e un condensatore di bypass di terra sul lato di uscita.

La regola d’oro per il layout del PCB HF è mantenere il condensatore di bypass HF il più vicino possibile al pin di alimentazione confezionato, ma un confronto tra la Figura 5 e la Figura 6 mostra che la modifica di questa regola per migliorare le caratteristiche di distorsione non fa molta differenza. Le caratteristiche di distorsione migliorate sono arrivate a scapito dell’aggiunta di circa 0.15 pollici di cablaggio del condensatore di bypass ad alta frequenza, ma questo ha avuto un impatto minimo sulle prestazioni di risposta CA dell’FHP3450. Il layout del PCB è importante per massimizzare le prestazioni di un amplificatore di alta qualità e i problemi discussi qui non si limitano agli amplificatori hf. I segnali a frequenza più bassa come l’audio hanno requisiti di distorsione molto più severi. L’effetto della corrente di terra è minore alle basse frequenze, ma può comunque essere un problema importante se l’indice di distorsione richiesto viene migliorato di conseguenza.