למעשה, המעגל המודפס (PCB) עשויים מחומרים ליניאריים חשמליים, כלומר העכבה שלהם צריכה להיות קבועה. אז מדוע PCB מכניס לא לינאריות לאות? התשובה היא שפריסת ה- PCB היא “לא לינארית מבחינה מרחבית” ביחס למקום בו הזרם זורם.

אם המגבר מקבל זרם ממקור כזה או אחר תלוי בקוטביות המיידית של האות על העומס. הזרם זורם מאספקת החשמל, דרך קבל המעקף, דרך המגבר אל העומס. הזרם עובר לאחר מכן ממסוף קרקע העומס (או סיכוך של מחבר פלט ה- PCB) בחזרה למישור הקרקע, דרך קבל המעקף, וחזרה למקור שסיפק את הזרם במקור.

הרעיון של מסלול מינימלי של זרם דרך עכבה אינו נכון. כמות הזרם בכל נתיבי העכבה השונים פרופורציונלית למוליכותו. במטוס קרקעי, לרוב יש יותר מנתיב עכבה נמוכה אחד שדרכו זורם חלק גדול מזרם הקרקע: נתיב אחד מחובר ישירות לקבל העוקף; השני מרגש את נגד הכניסה עד להגעה לקבל העוקף. איור 1 ממחיש את שני הנתיבים הללו. זרם הזרימה החזרה הוא מה שגורם לבעיה באמת.

כיצד להפחית עיוות הרמוני בעיצוב PCB

כאשר קבלים המעקפים ממוקמים במיקומים שונים על הלוח המודרני, זרם הקרקע זורם בנתיבים שונים אל קבלים המעקפים המתאימים, וזה המשמעות של “אי לינאריות מרחבית”. אם חלק משמעותי מרכיב קוטבי של זרם הקרקע זורם דרך הקרקע של מעגל הכניסה, רק אותו רכיב קוטבי של האות מופר. אם הקוטביות האחרת של זרם הקרקע אינה מופרעת, מתח אות הכניסה משתנה בצורה לא לינארית. כאשר מרכיב קוטביות אחד משתנה אך הקוטביות השנייה אינה משתנה, עיוות מתרחש ומתבטא כעיוות הרמוני שני של אות הפלט. איור 2 מראה אפקט עיוות זה בצורה מוגזמת.

כיצד להפחית עיוות הרמוני בעיצוב PCB

כאשר רק מרכיב קוטבי אחד של גל הסינוס מופרע, צורת הגל המתקבלת אינה עוד גל סינוס. סימולציה של מגבר אידיאלי עם עומס 100 ω וחיבור זרם העומס דרך הנגד 1 ω למתח הקרקע רק על קוטביות אחת של האות, מביאה לאיור 3.טרנספורמציה פורייה מראה כי צורת גל העיוות היא כמעט כל ההרמוניות השניות ב -68 DBC. בתדרים גבוהים, רמת צימוד זו נוצרת בקלות על לוח PCB, מה שיכול להרוס את המאפיינים המעולים נגד עיוות של מגבר מבלי להיעזר בהרבה מההשפעות המיוחדות של ה- PCB. כאשר הפלט של מגבר תפעולי יחיד מעוות בשל נתיב זרם הקרקע, ניתן להתאים את זרימת זרם הקרקע על ידי סידור מחדש של לולאת העוקף ושמירה על מרחק מהתקן הקלט, כפי שמוצג באיור 4.

כיצד להפחית עיוות הרמוני בעיצוב PCB

שבב רב מגבר

הבעיה של שבבי רב מגברים (שניים, שלושה או ארבעה מגברים) מתווספת על ידי חוסר היכולת להרחיק את חיבור הקרקע של קבל העוקף מכל הכניסה. הדבר נכון במיוחד לגבי ארבעה מגברים. לשבבי מגבר מרובע יש מסופי כניסה מכל צד, כך שאין מקום למעגלים עוקפים המפחיתים את ההפרעה לערוץ הקלט.

כיצד להפחית עיוות הרמוני בעיצוב PCB

איור 5 מציג גישה פשוטה לפריסה של ארבעה מגברים. רוב המכשירים מתחברים ישירות לסיכת מגבר מרובעת. זרם הארקה של ספק כוח אחד יכול להפריע למתח הקרקע הקלט ולזרם הקרקע של ספק הכוח של הערוץ השני, וכתוצאה מכך לעיוות. לדוגמה, ניתן למקם את קבל המעקף (+Vs) בערוץ 1 של מגבר המרובע ישירות בסמוך לקלט שלו; ניתן למקם את קבל העוקף (-Vs) בצד השני של החבילה. זרם הקרקע (+Vs) עלול להפריע לערוץ 1, בעוד שזרם הקרקע (-vs) עשוי שלא.

כיצד להפחית עיוות הרמוני בעיצוב PCB

כדי להימנע מבעיה זו, תן לזרם הקרקע להפריע לקלט, אך תן לזרם ה- PCB לזרום בצורה לינארית מרחבית. כדי להשיג זאת, ניתן לסדר את קבל המעקף על ה- PCB באופן שזרמי הקרקע (+Vs) ו- ( – Vs) יזרמו באותה הנתיב. אם אות הקלט מופרד באותה מידה על ידי זרמים חיוביים ושליליים, עיוות לא יתרחש. לכן, יישר את שני קבלים המעקפים זה ליד זה כך שהם יחלקו נקודת קרקע. מכיוון ששני הרכיבים הקוטביים של זרם האדמה מגיעים מאותה נקודה (מחבר הפלט המגן או קרקע העומס) ושניהם זורמים חזרה לאותה נקודה (חיבור הארקה הנפוץ של קבל המעקף), הזרם החיובי/השלילי זורם דרך אותה דרך. אם התנגדות הקלט של ערוץ מופרעת על ידי זרם (+Vs), לזרם ( – Vs) יש אותה השפעה עליו. מכיוון שההפרעה המתקבלת זהה ללא קשר לקוטביות, אין עיוות, אך יתרחש שינוי קטן ברווח הערוץ, כפי שמוצג באיור 6.

כיצד להפחית עיוות הרמוני בעיצוב PCB

כדי לאמת את ההסקה שלעיל, נעשה שימוש בשתי פריסות PCB שונות: פריסה פשוטה (איור 5) ופריסה של עיוות נמוך (איור 6). העיוות שמייצר המגבר הארבע-תפעולי FHP3450 באמצעות מוליך למחצה של fairchild מוצג בטבלה 1. רוחב הפס האופייני של FHP3450 הוא 210MHz, השיפוע הוא 1100V/us, זרם הטיה הכניסה הוא 100nA וזרם ההפעלה לכל ערוץ הוא 3.6 אִמָא. כפי שניתן לראות מטבלה 1, ככל שהערוץ מעוות יותר כך השיפור טוב יותר כך שארבעת הערוצים שווים בביצועים כמעט.

כיצד להפחית עיוות הרמוני בעיצוב PCB

ללא מגבר מרובע אידיאלי על לוח PCB, מדידת ההשפעות של ערוץ מגבר יחיד יכולה להיות קשה. מן הסתם, ערוץ מגבר נתון מפריע לא רק לקלט שלו, אלא גם לקלט של ערוצים אחרים. זרם האדמה זורם בכל כניסות הערוצים השונות ומייצר אפקטים שונים, אך מושפע מכל פלט, הניתן למדידה.

טבלה 2 מציגה את ההרמוניות הנמדדות בערוצים אחרים שאינם מנועים כאשר רק ערוץ אחד מונע. הערוץ הלא מסומן מציג אות קטן (קריאה) בתדר היסודי, אך גם מייצר עיוות שהוכנס ישירות על ידי זרם הקרקע בהעדר אות בסיסי משמעותי. פריסת העיוות הנמוך באיור 6 מראה כי המאפיינים הרמוניים והעיוות ההרמוני השני (THD) השני משתפרים במידה ניכרת בגלל חיסול ההשפעה הנוכחי הקרקע.

כיצד להפחית עיוות הרמוני בעיצוב PCB

תקציר מאמר זה

במילים פשוטות, על PCB, זרם הזרם החוזר זורם דרך קבלים עוקפים שונים (עבור ספקי כוח שונים) ואספקת החשמל עצמה, היחסית למוליכות שלו. זרם האות בתדר גבוה זורם בחזרה אל קבל המעקף הקטן. זרמים בתדר נמוך, כגון אלה של אותות שמע, עשויים לזרום בעיקר דרך קבלים עוקפים גדולים יותר. אפילו זרם תדרים נמוך יותר עלול “להתעלם” מקיבולת המעקף המלאה ולזרום ישירות חזרה אל מוביל החשמל. היישום הספציפי יקבע איזה נתיב נוכחי הוא הקריטי ביותר. למרבה המזל, קל להגן על כל נתיב זרם הקרקע על ידי שימוש בנקודת קרקע משותפת וקבל עוקף קרקע בצד הפלט.

כלל הזהב לפריסת HF PCB הוא לשמור על קבל מעקף HF קרוב ככל האפשר לסיכת החשמל הארוזה, אך השוואה של איור 5 ואיור 6 מראה ששינוי כלל זה לשיפור מאפייני העיוות אינו משנה הרבה. מאפייני העיוות המשופרים עלו על חשבון הוספת כ -0.15 אינץ ‘של חיווט קבלים עוקף בתדר גבוה, אך הדבר לא השפיע מעט על ביצועי תגובת ה- AC של ה- FHP3450. פריסת PCB חשובה כדי למקסם את הביצועים של מגבר באיכות גבוהה, והנושאים שנדונו כאן אינם מוגבלים למגברי hf. לאותות בתדר נמוך יותר כגון אודיו יש דרישות עיוות הרבה יותר מחמירות. אפקט זרם הקרקע קטן יותר בתדרים נמוכים, אך עדיין עשויה להיות בעיה חשובה אם מדד העיוות הנדרש ישתפר בהתאם.