Iš tiesų, spausdintinė plokštė (PCB) yra pagaminti iš elektros linijinių medžiagų, ty jų varža turi būti pastovi. Taigi kodėl PCB į signalą įtraukia netiesiškumą? Atsakymas yra tas, kad PCB išdėstymas yra „erdviniu požiūriu nelinijinis“, palyginti su srovės tekėjimo vieta.

Ar stiprintuvas gauna srovę iš vieno ar kito šaltinio, priklauso nuo momentinio apkrovos signalo poliškumo. Srovė teka iš maitinimo šaltinio, per aplinkkelio kondensatorių, per stiprintuvą į apkrovą. Tada srovė eina iš apkrovos įžeminimo gnybto (arba PCB išvesties jungties ekranavimo) atgal į įžeminimo plokštę per apėjimo kondensatorių ir atgal į šaltinį, kuris iš pradžių tiekė srovę.

Minimalus srovės kelias per impedanciją yra neteisingas. Srovės kiekis visuose skirtinguose varžos keliuose yra proporcingas jo laidumui. Įžeminimo plokštumoje dažnai yra daugiau nei vienas mažos varžos kelias, kuriuo teka didelė dalis žemės srovės: vienas kelias yra tiesiogiai prijungtas prie apėjimo kondensatoriaus; Kitas sužadina įėjimo rezistorių, kol bus pasiektas apėjimo kondensatorius. 1 paveiksle pavaizduoti šie du keliai. Grįžtamoji srovė yra tai, kas iš tikrųjų sukelia problemą.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Kai aplinkkelio kondensatoriai dedami į skirtingas PCB vietas, įžeminimo srovė teka skirtingais keliais į atitinkamus apėjimo kondensatorius, o tai reiškia „erdvinį netiesiškumą“. Jei reikšminga įžeminimo srovės polinio komponento dalis teka per įvesties grandinės įžeminimą, sutrinka tik ta polinė signalo sudedamoji dalis. Jei kitas įžeminimo srovės poliškumas nėra sutrikdytas, įėjimo signalo įtampa keičiasi netiesiškai. Kai keičiamas vienas poliškumo komponentas, o kitas – ne, iškraipymai atsiranda ir pasireiškia kaip antrasis harmoninis išėjimo signalo iškraipymas. 2 paveiksle parodytas šis iškraipymo efektas perdėta forma.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Kai sutrinka tik viena sinusinė bangos polinė sudedamoji dalis, gaunama bangos forma nebėra sinusinė banga. Simuliuojant idealų stiprintuvą su 100 ω apkrova ir prijungiant apkrovos srovę per 1 ω rezistorių į žemės įtampą tik vieno signalo poliškumo dėka, gaunamas 3 pav.Furjė transformacija rodo, kad iškraipymo bangos forma yra beveik visos antrosios harmonikos esant -68 DBC. Esant aukštiems dažniams, tokio lygio jungtis lengvai sukuriama naudojant PCB, o tai gali sunaikinti puikias stiprintuvo anti-iškraipymo charakteristikas, nesinaudojant daugeliu specialių netiesinių PCB efektų. Kai vieno operacinio stiprintuvo išėjimas yra iškreiptas dėl įžeminimo srovės kelio, įžeminimo srovės srautą galima reguliuoti pertvarkant aplinkkelio kilpą ir išlaikant atstumą nuo įvesties įrenginio, kaip parodyta 4 paveiksle.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Daugiakalbio stiprintuvo mikroschema

Kelių stiprintuvų lustų (dviejų, trijų ar keturių stiprintuvų) problemą apsunkina ir nesugebėjimas išlaikyti aplinkkelio kondensatoriaus įžeminimo toli nuo visos įvesties. Tai ypač pasakytina apie keturis stiprintuvus. Keturių stiprintuvų lustai turi įvesties gnybtus kiekvienoje pusėje, todėl nėra vietos apėjimo grandinėms, kurios sumažina įvesties kanalo trikdžius.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

5 paveiksle pavaizduotas paprastas požiūris į keturių stiprintuvų išdėstymą. Dauguma įrenginių jungiasi tiesiogiai prie keturių stiprintuvų kaiščio. Vieno maitinimo šaltinio įžeminimo srovė gali sutrikdyti kito kanalo maitinimo šaltinio įėjimo įžeminimo įtampą ir įžeminimo srovę, todėl gali būti iškraipoma. Pavyzdžiui, keturių stiprintuvų 1 kanalo (+Vs) apėjimo kondensatorius gali būti dedamas tiesiai šalia jo įvesties; (-Vs) aplinkkelio kondensatorius gali būti dedamas kitoje pakuotės pusėje. (+Vs) įžeminimo srovė gali sutrikdyti 1 kanalą, o (-vs) įžeminimo srovė gali ne.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Kad išvengtumėte šios problemos, leiskite įžeminimo srovei trikdyti įvestį, tačiau leiskite PCB srovei tekėti erdviniu būdu. Norint tai pasiekti, apėjimo kondensatorius gali būti išdėstytas ant PCB taip, kad (+Vs) ir ( – Vs) žemės srovės tekėtų tuo pačiu keliu. Jei įvesties signalą vienodai trikdo teigiamos ir neigiamos srovės, iškraipymai neįvyks. Todėl išlyginkite du apėjimo kondensatorius vienas šalia kito, kad jie turėtų bendrą įžeminimo tašką. Kadangi du įžeminimo srovės poliniai komponentai ateina iš to paties taško (išėjimo jungties ekranas arba apkrovos žemė) ir abu teka atgal į tą patį tašką (bendras apėjimo kondensatoriaus įžeminimo jungtis), teigiama/neigiama srovė teka per tas pats kelias. Jei kanalo įėjimo varžą trikdo (+Vs) srovė, ( – Vs) srovė turi tą patį poveikį. Kadangi atsirandantis trikdis yra tas pats, nepriklausomai nuo poliškumo, nėra iškraipymų, tačiau nedidelis kanalo padidėjimo pokytis įvyks, kaip parodyta 6 paveiksle.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Norint patikrinti pirmiau pateiktą išvadą, buvo naudojami du skirtingi PCB išdėstymai: paprastas išdėstymas (5 pav.) Ir mažo iškraipymo išdėstymas (6 pav.). FHP3450 keturių operacinių stiprintuvų, naudojančių „Fairchild“ puslaidininkį, iškraipymas parodytas 1 lentelėje. Įprastas FHP3450 pralaidumas yra 210 MHz, nuolydis yra 1100 V/us, įvesties šališkumo srovė yra 100 nA, o veikimo srovė vienam kanalui yra 3.6 mA. Kaip matyti iš 1 lentelės, kuo labiau iškreiptas kanalas, tuo geresnis pagerėjimas, todėl keturių kanalų našumas yra beveik vienodas.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Jei PCB nėra idealaus keturių stiprintuvų, gali būti sunku išmatuoti vieno stiprintuvo kanalo poveikį. Akivaizdu, kad tam tikras stiprintuvo kanalas trikdo ne tik savo, bet ir kitų kanalų įvestį. Žemės srovė teka per visus skirtingus kanalų įėjimus ir sukuria skirtingus efektus, tačiau kiekviena išvestis daro įtaką, kurią galima išmatuoti.

2 lentelėje parodyta harmonika, išmatuota kituose neveikiančiuose kanaluose, kai varomas tik vienas kanalas. Nevažiuotas kanalas rodo nedidelį signalą (skersinį pokalbį) pagrindiniu dažniu, tačiau taip pat sukuria iškraipymus, kuriuos tiesiogiai sukelia žemės srovė, nesant jokio reikšmingo pagrindinio signalo. Mažo iškraipymo išdėstymas 6 paveiksle rodo, kad antrosios harmoninės ir visiško harmoninio iškraipymo (THD) charakteristikos yra gerokai patobulintos, nes beveik nebelieka žemės srovės efekto.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Šio straipsnio santrauka

Paprasčiau tariant, ant PCB atgalinio srauto srovė teka per skirtingus apėjimo kondensatorius (skirtingiems maitinimo šaltiniams) ir patį maitinimo šaltinį, kuris yra proporcingas jo laidumui. Aukšto dažnio signalo srovė grįžta atgal į mažą apėjimo kondensatorių. Žemo dažnio srovės, tokios kaip garso signalai, pirmiausia gali tekėti per didesnius apėjimo kondensatorius. Netgi žemesnio dažnio srovė gali „neatsižvelgti“ į visą aplinkkelio talpą ir tekėti tiesiai atgal į maitinimo laidą. Konkreti programa nustatys, kuris dabartinis kelias yra svarbiausias. Laimei, nesunku apsaugoti visą žemės srovės kelią, naudojant bendrą įžeminimo tašką ir įžeminimo apėjimo kondensatorių išėjimo pusėje.

Auksinė aukšto dažnio plokščių išdėstymo taisyklė – HF apėjimo kondensatorių laikyti kuo arčiau supakuoto maitinimo kaiščio, tačiau palyginus 5 paveikslą ir 6 paveikslą matyti, kad šios taisyklės pakeitimas, siekiant pagerinti iškraipymo charakteristikas, neturi didelio skirtumo. Patobulintos iškraipymo charakteristikos buvo pridėtos maždaug 0.15 colio aukšto dažnio apėjimo kondensatoriaus laidų sąskaita, tačiau tai turėjo mažai įtakos FHP3450 kintamosios srovės atsako charakteristikoms. PCB išdėstymas yra svarbus siekiant maksimaliai padidinti aukštos kokybės stiprintuvo našumą, o čia aptartos problemos neapsiriboja tik hf stiprintuvais. Žemesnio dažnio signalai, tokie kaip garsas, turi daug griežtesnius iškraipymo reikalavimus. Žemos srovės efektas yra mažesnis esant žemiems dažniams, tačiau tai gali būti svarbi problema, jei atitinkamai pagerinamas reikalingas iškraipymų indeksas.