Patiesībā, drukātās shēmas plate (PCB) ir izgatavoti no elektriskiem lineāriem materiāliem, ti, to pretestībai jābūt nemainīgai. Tātad, kāpēc PCB ievieš signālā nelinearitāti? Atbilde ir tāda, ka PCB izkārtojums ir “telpiski nelineārs” attiecībā pret strāvas plūsmas vietu.

Tas, vai pastiprinātājs saņem strāvu no viena vai cita avota, ir atkarīgs no signāla momentānās polaritātes uz slodzi. Strāva plūst no barošanas avota, caur apvedceļa kondensatoru, caur pastiprinātāju uz slodzi. Pēc tam strāva no slodzes zemējuma termināļa (vai PCB izejas savienotāja ekranējuma) pārvietojas atpakaļ uz iezemēto plakni caur apvedceļa kondensatoru un atpakaļ uz avotu, kas sākotnēji piegādāja strāvu.

Minimālais strāvas ceļš caur pretestību ir nepareizs. Strāvas daudzums visos dažādos pretestības ceļos ir proporcionāls tā vadītspējai. Zemes plaknē bieži ir vairāk nekā viens zemas pretestības ceļš, pa kuru plūst liela daļa zemes strāvas: viens ceļš ir tieši savienots ar apvedceļa kondensatoru; Otrs ierosina ieejas rezistoru, līdz tiek sasniegts apvedceļa kondensators. 1. attēls ilustrē šos divus ceļus. Atgriešanās plūsma ir tas, kas patiešām izraisa problēmu.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Kad apvedceļa kondensatori tiek novietoti dažādās PCB pozīcijās, zemes strāva plūst pa dažādiem ceļiem uz attiecīgajiem apvedceļa kondensatoriem, kas nozīmē “telpisko nelinearitāti”. Ja ievērojama daļa no zemējuma strāvas polārā komponenta plūst caur ieejas ķēdes zemi, tiek traucēta tikai šī signāla polārā sastāvdaļa. Ja cita zemējuma strāvas polaritāte netiek traucēta, ieejas signāla spriegums mainās nelineāri. Ja viens polaritātes komponents tiek mainīts, bet otrs nav, rodas izkropļojums, kas izpaužas kā otrais harmoniskais izvades signāla izkropļojums. 2. attēls parāda šo izkropļojumu efektu pārspīlētā veidā.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Ja tiek traucēta tikai viena sinusa viļņa polārā sastāvdaļa, iegūtā viļņu forma vairs nav sinusoidāls. Simulējot ideālu pastiprinātāju ar 100 ω slodzi un pievienojot slodzes strāvu caur 1 ω rezistoru zemes spriegumā tikai vienā signāla polaritātē, iegūst 3. attēlu.Furjē transformācija parāda, ka deformācijas viļņu forma ir gandrīz visas otrās harmonikas pie -68 DBC. Augstās frekvencēs šis savienojuma līmenis ir viegli ģenerējams PCB, kas var iznīcināt pastiprinātāja izcilas pret deformācijas īpašības, neizmantojot lielu daļu PCB īpašo nelineāro efektu. Ja viena darbības pastiprinātāja izeja ir izkropļota zemes strāvas ceļa dēļ, zemes strāvas plūsmu var regulēt, pārkārtojot apvedceļa cilpu un saglabājot attālumu no ievades ierīces, kā parādīts 4. attēlā.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Multipastiprinātāja mikroshēma

Vairāku pastiprinātāju mikroshēmu (divu, trīs vai četru pastiprinātāju) problēmu papildina nespēja noturēt apvedceļa kondensatora zemes savienojumu tālu no visas ieejas. Tas jo īpaši attiecas uz četriem pastiprinātājiem. Četru pastiprinātāju mikroshēmām ir ieejas spailes katrā pusē, tāpēc nav vietas apvedceļa ķēdēm, kas mazina ieejas kanāla traucējumus.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

5. attēlā parādīta vienkārša pieeja četru pastiprinātāju izkārtojumam. Lielākā daļa ierīču ir savienotas tieši ar četru pastiprinātāju tapu. Viena barošanas bloka zemējuma strāva var traucēt otrā kanāla barošanas avota ieejas zemējuma spriegumu un zemējuma strāvu, izraisot izkropļojumus. Piemēram, (+Vs) apvedceļa kondensatoru četrkāršā pastiprinātāja 1. kanālā var novietot tieši blakus tā ieejai; (-Vs) apvedceļa kondensatoru var novietot iepakojuma otrā pusē. (+Vs) zemējuma strāva var traucēt 1. kanālu, bet (-vs) zemējuma strāva var netikt.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Lai izvairītos no šīs problēmas, ļaujiet zemes strāvai traucēt ieeju, bet ļaujiet PCB strāvai plūst telpiski lineārā veidā. Lai to panāktu, apvedceļa kondensatoru var novietot uz PCB tā, lai (+Vs) un ( – Vs) zemes strāvas plūst pa to pašu ceļu. Ja ieejas signālu vienādi traucē pozitīvā un negatīvā strāva, izkropļojumi nenotiks. Tāpēc izlīdziniet abus apvedceļa kondensatorus blakus, lai tiem būtu kopīgs zemes punkts. Tā kā divas zemējuma strāvas polārās sastāvdaļas nāk no viena punkta (izejas savienotāja ekranējums vai slodzes zeme) un abas plūst atpakaļ tajā pašā punktā (apvedceļa kondensatora kopējais zemes savienojums), pozitīvā/negatīvā strāva plūst cauri tas pats ceļš. Ja kanāla ieejas pretestību traucē (+Vs) strāva, ( – Vs) strāva to ietekmē tāpat. Tā kā iegūtie traucējumi ir vienādi neatkarīgi no polaritātes, nav izkropļojumu, bet nelielas kanāla pastiprinājuma izmaiņas notiks, kā parādīts 6. attēlā.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Lai pārbaudītu iepriekš minēto secinājumu, tika izmantoti divi dažādi PCB izkārtojumi: vienkāršs izkārtojums (5. attēls) un izkārtojums ar zemu deformāciju (6. attēls). Izkropļojumi, ko rada FHP3450 četroperatīvais pastiprinātājs, izmantojot Fairchild pusvadītāju, ir parādīti 1. tabulā. FHP3450 tipiskais joslas platums ir 210 MHz, slīpums ir 1100 V/us, ieejas novirzes strāva ir 100 nA, un darba strāva katrā kanālā ir 3.6 mA. Kā redzams no 1. tabulas, jo vairāk kanāls ir izkropļots, jo labāks ir uzlabojums, lai četri kanāli būtu gandrīz vienādi.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Ja PCB nav ideāla četrkārša pastiprinātāja, viena pastiprinātāja kanāla efektu mērīšana var būt sarežģīta. Acīmredzot konkrēts pastiprinātāja kanāls traucē ne tikai savu, bet arī citu kanālu ievadi. Zemes strāva plūst cauri visām dažādu kanālu ieejām un rada dažādus efektus, taču to ietekmē katra izeja, kas ir izmērāma.

2. tabulā parādītas harmonikas, kas izmērītas citos nebrauktos kanālos, kad tiek darbināts tikai viens kanāls. Nevadītais kanāls parāda nelielu signālu (šķērsruna) pamata frekvencē, bet arī rada traucējumus, ko tieši rada zemes strāva, ja nav būtiska pamata signāla. Zema izkropļojuma izkārtojums 6. attēlā parāda, ka otrās harmonikas un pilnīgā harmoniskā kropļojuma (THD) īpašības ir ievērojami uzlabotas, jo gandrīz netiek novērsta zemes strāvas ietekme.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Šī raksta kopsavilkums

Vienkārši sakot, uz PCB pretplūsmas strāva plūst caur dažādiem apvedceļa kondensatoriem (dažādiem barošanas avotiem) un pašu barošanas avotu, kas ir proporcionāls tā vadītspējai. Augstfrekvences signāla strāva atgriežas mazajā apvedceļa kondensatorā. Zemfrekvences strāvas, piemēram, audio signālu, galvenokārt var plūst caur lielākiem apvedceļa kondensatoriem. Pat zemākas frekvences strāva var “neņemt vērā” pilnīgu apvedceļa kapacitāti un plūst tieši atpakaļ strāvas vadā. Konkrētā lietojumprogramma noteiks, kurš pašreizējais ceļš ir viskritiskākais. Par laimi, ir viegli aizsargāt visu zemes strāvas ceļu, izmantojot kopēju zemes punktu un zemējuma apvedceļa kondensatoru izejas pusē.

Zelta likums HF PCB izkārtojumam ir saglabāt HF apvedceļa kondensatoru pēc iespējas tuvāk iepakotajai strāvas tapai, taču, salīdzinot 5. un 6. attēlu, redzams, ka šī noteikuma modificēšana, lai uzlabotu izkropļojuma raksturlielumus, neko daudz nemaina. Uzlabotie izkropļojuma raksturlielumi radās, pievienojot aptuveni 0.15 collas augstfrekvences apvedceļa kondensatora vadu, taču tas maz ietekmēja FHP3450 maiņstrāvas reakcijas veiktspēju. PCB izkārtojums ir svarīgs, lai maksimāli palielinātu augstas kvalitātes pastiprinātāja veiktspēju, un šeit aplūkotie jautājumi neaprobežojas tikai ar hf pastiprinātājiem. Zemākas frekvences signāliem, piemēram, audio, ir daudz stingrākas deformācijas prasības. Zemes strāvas efekts ir mazāks zemās frekvencēs, taču tā joprojām var būt svarīga problēma, ja attiecīgi tiek uzlabots nepieciešamais izkropļojumu indekss.