Eigenlijk, printplaat (PCB) are made of electrical linear materials, i.e. their impedance should be constant. Dus waarom introduceert een PCB niet-lineariteit in een signaal? Het antwoord is dat de PCB-layout “ruimtelijk niet-lineair” is ten opzichte van waar de stroom vloeit.

Of de versterker stroom ontvangt van de ene of de andere bron, hangt af van de momentane polariteit van het signaal op de belasting. Current flows from the power supply, through the bypass capacitor, through the amplifier into the load. The current then travels from the load ground terminal (or shielding of the PCB output connector) back to the ground plane, through the bypass capacitor, and back to the source that originally supplied the current.

The concept of minimum path of current through impedance is incorrect. The amount of current in all different impedance paths is proportional to its conductivity. In a ground plane, there is often more than one low-impedance path through which a large proportion of ground current flows: one path is directly connected to the bypass capacitor; De andere bekrachtigt de ingangsweerstand totdat de bypass-condensator is bereikt. Figure 1 illustrates these two paths. The backflow current is what’s really causing the problem.

voorleggen

Wanneer de bypass-condensatoren op verschillende posities op de printplaat worden geplaatst, vloeit de aardstroom door verschillende paden naar de respectieve bypass-condensatoren, wat de betekenis is van “ruimtelijke niet-lineariteit”. If a significant portion of a polar component of the ground current flows through the ground of the input circuit, only that polar component of the signal is disturbed. If the other polarity of the ground current is not disturbed, the input signal voltage changes in a nonlinear manner. Wanneer een polariteitscomponent wordt gewijzigd, maar de andere polariteit niet, treedt vervorming op en manifesteert zich als de tweede harmonische vervorming van het uitgangssignaal. Figuur 2 toont dit vervormingseffect in overdreven vorm.

voorleggen

Wanneer slechts één polaire component van de sinusgolf wordt verstoord, is de resulterende golfvorm niet langer een sinusgolf. Het simuleren van een ideale versterker met een belasting van 100 en het koppelen van de belastingsstroom via een weerstand van 1 aan de aardspanning op slechts één polariteit van het signaal, resulteert in figuur 3. Fourier transform shows that the distortion waveform is almost all the second harmonics at -68 DBC. Bij hoge frequenties wordt dit koppelingsniveau gemakkelijk gegenereerd op een PCB, wat de uitstekende anti-vervormingseigenschappen van een versterker kan vernietigen zonder toevlucht te nemen tot veel van de speciale niet-lineaire effecten van een PCB. When the output of a single operational amplifier is distorted due to the ground current path, the ground current flow can be adjusted by rearranging the bypass loop and maintaining distance from the input device, as shown in Figure 4.

voorleggen

Multiamplifier chip

The problem of multi-amplifier chips (two, three, or four amplifiers) is compounded by the inability to keep the ground connection of the bypass capacitor far from the entire input. This is especially true for four amplifiers. Quad-versterkerchips hebben ingangsaansluitingen aan elke kant, dus er is geen ruimte voor bypass-circuits die verstoring van het ingangskanaal verminderen.

voorleggen

Afbeelding 5 toont een eenvoudige benadering van een lay-out met vier versterkers. Most devices connect directly to a quad amplifier pin. De aardstroom van de ene voeding kan de ingangsaardspanning en de aardstroom van de andere kanaalvoeding verstoren, wat tot vervorming leidt. De (+Vs) bypass-condensator op kanaal 1 van de quad-versterker kan bijvoorbeeld direct naast de ingang worden geplaatst; De (-Vs) bypass condensator kan aan de andere kant van de verpakking worden geplaatst. De (+Vs) aardstroom kan kanaal 1 verstoren, terwijl de (-vs) aardstroom dat niet kan.

voorleggen

Om dit probleem te voorkomen, laat de aardstroom de ingang verstoren, maar laat de PCB-stroom op een ruimtelijk lineaire manier vloeien. To achieve this, the bypass capacitor can be arranged on the PCB in such a way that the (+Vs) and (– Vs) ground currents flow through the same path. If the input signal is equally disturbed by positive and negative currents, distortion will not occur. Lijn daarom de twee bypass-condensatoren naast elkaar uit, zodat ze een massapunt delen. Omdat de twee polaire componenten van de aardstroom uit hetzelfde punt komen (de afscherming van de uitgangsconnector of de belastingsaarde) en beide terugvloeien naar hetzelfde punt (de gemeenschappelijke aardverbinding van de bypass-condensator), stroomt de positieve/negatieve stroom door hetzelfde pad. If the input resistance of a channel is disturbed by (+Vs) current, (– Vs) current has the same effect on it. Because the resulting disturbance is the same regardless of the polarity, there is no distortion, but a small change in the gain of the channel will occur, as shown in Figure 6.

voorleggen

Om de bovenstaande gevolgtrekking te verifiëren, werden twee verschillende PCB-lay-outs gebruikt: een eenvoudige lay-out (Figuur 5) en een lay-out met weinig vervorming (Figuur 6). De vervorming die wordt geproduceerd door de FHP3450 quad-operationele versterker met Fairchild-halfgeleider wordt weergegeven in tabel 1. De typische bandbreedte van de FHP3450 is 210 MHz, de helling is 1100 V/us, de ingangsbiasstroom is 100 nA en de bedrijfsstroom per kanaal is 3.6 mA. As can be seen from Table 1, the more distorted the channel, the better the improvement, so that the four channels are nearly equal in performance.

voorleggen

Without an ideal quad amplifier on a PCB, measuring the effects of a single amplifier channel can be difficult. Het is duidelijk dat een bepaald versterkerkanaal niet alleen zijn eigen ingang verstoort, maar ook de ingang van andere kanalen. The earth current flows through all the different channel inputs and produces different effects, but is influenced by each output, which is measurable.

Table 2 shows the harmonics measured on other undriven channels when only one channel is driven. Het niet-aangedreven kanaal geeft een klein signaal (overspraak) weer op de grondfrequentie, maar produceert ook vervorming die rechtstreeks wordt geïntroduceerd door de grondstroom bij afwezigheid van een significant grondsignaal. De lay-out met lage vervorming in figuur 6 laat zien dat de kenmerken van de tweede harmonische en totale harmonische vervorming (THD) aanzienlijk zijn verbeterd vanwege de bijna-eliminatie van het aardstroomeffect.

voorleggen

Dit artikel samenvatting

Simply put, on a PCB, the backflow current flows through different bypass capacitors (for different power supplies) and the power supply itself, which is proportional to its conductivity. De hoogfrequente signaalstroom vloeit terug naar de kleine bypass-condensator. Laagfrequente stromen, zoals die van audiosignalen, kunnen voornamelijk door grotere bypass-condensatoren stromen. Zelfs een stroom met een lagere frequentie kan de volledige bypasscapaciteit “negeren” en direct terugvloeien naar de voedingskabel. De specifieke toepassing zal bepalen welk stroompad het meest kritisch is. Fortunately, it is easy to protect the entire ground current path by using a common ground point and a ground bypass capacitor on the output side.

De gouden regel voor de lay-out van HF-printplaten is om de HF-bypasscondensator zo dicht mogelijk bij de meegeleverde voedingspin te houden, maar een vergelijking van Afbeelding 5 en Afbeelding 6 laat zien dat het wijzigen van deze regel om de vervormingskarakteristieken te verbeteren niet veel uitmaakt. De verbeterde vervormingskarakteristieken gingen ten koste van het toevoegen van ongeveer 0.15 inch hoogfrequente bypass-condensatorbedrading, maar dit had weinig invloed op de AC-responsprestaties van de FHP3450. PCB layout is important to maximize the performance of a high-quality amplifier, and the issues discussed here are not limited to hf amplifiers. Voor signalen met een lagere frequentie, zoals audio, gelden veel strengere vereisten voor vervorming. The ground current effect is smaller at low frequencies, but it may still be an important problem if the required distortion index is improved accordingly.