Eigenlijk, printplaat (PCB’s) zijn gemaakt van elektrisch lineair materiaal, dat wil zeggen dat hun impedantie constant moet zijn. 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. Stroom vloeit van de voeding, via de bypass-condensator, door de versterker naar de belasting. De stroom gaat dan van de belastingsaardklem (of afscherming van de PCB-uitgangsconnector) terug naar het aardvlak, via de bypass-condensator en terug naar de bron die oorspronkelijk de stroom leverde.

Het concept van het minimale stroompad door de impedantie is onjuist. De hoeveelheid stroom in alle verschillende impedantiepaden is evenredig met de geleidbaarheid. In een aardvlak is er vaak meer dan één laagohmig pad waardoor een groot deel van de aardstroom vloeit: één pad is direct verbonden met de bypass-condensator; De andere bekrachtigt de ingangsweerstand totdat de bypass-condensator is bereikt. Figuur 1 illustreert deze twee paden. De terugstroom is wat het probleem echt veroorzaakt.

Hoe harmonische vervorming in PCB-ontwerp te verminderen?

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”. Als een aanzienlijk deel van een polaire component van de aardstroom door de aarde van het ingangscircuit stroomt, wordt alleen die polaire component van het signaal verstoord. Als de andere polariteit van de aardstroom niet wordt verstoord, verandert de ingangssignaalspanning op een niet-lineaire manier. 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.

Hoe harmonische vervorming in PCB-ontwerp te verminderen?

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.Fouriertransformatie laat zien dat de vervormingsgolfvorm bijna alle tweede harmonischen is bij -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. Wanneer de uitvoer van een enkele operationele versterker wordt vervormd als gevolg van het aardstroompad, kan de aardstroom worden aangepast door de bypass-lus te herschikken en afstand te houden tot het invoerapparaat, zoals weergegeven in figuur 4.

Hoe harmonische vervorming in PCB-ontwerp te verminderen?

Multiversterker-chip

Het probleem van chips met meerdere versterkers (twee, drie of vier versterkers) wordt verergerd door het onvermogen om de aardverbinding van de bypass-condensator ver van de gehele ingang te houden. Dit geldt vooral voor vier versterkers. Quad-versterkerchips hebben ingangsaansluitingen aan elke kant, dus er is geen ruimte voor bypass-circuits die verstoring van het ingangskanaal verminderen.

Hoe harmonische vervorming in PCB-ontwerp te verminderen?

Afbeelding 5 toont een eenvoudige benadering van een lay-out met vier versterkers. De meeste apparaten worden rechtstreeks aangesloten op een quad-versterkerpin. 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.

Hoe harmonische vervorming in PCB-ontwerp te verminderen?

Om dit probleem te voorkomen, laat de aardstroom de ingang verstoren, maar laat de PCB-stroom op een ruimtelijk lineaire manier vloeien. Om dit te bereiken kan de bypass-condensator zo op de printplaat worden geplaatst dat de (+Vs) en (- Vs) aardstromen door dezelfde weg lopen. Als het ingangssignaal gelijkelijk wordt verstoord door positieve en negatieve stromen, zal er geen vervorming optreden. 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. Als de ingangsweerstand van een kanaal wordt verstoord door (+Vs) stroom, heeft (– Vs) stroom daarop hetzelfde effect. Omdat de resulterende storing hetzelfde is, ongeacht de polariteit, is er geen vervorming, maar zal er een kleine verandering in de versterking van het kanaal optreden, zoals weergegeven in figuur 6.

Hoe harmonische vervorming in PCB-ontwerp te verminderen?

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. Zoals te zien is in tabel 1, hoe meer vervormd het kanaal, hoe beter de verbetering, zodat de vier kanalen qua prestaties bijna gelijk zijn.

Hoe harmonische vervorming in PCB-ontwerp te verminderen?

Zonder een ideale quad-versterker op een PCB kan het meten van de effecten van een enkel versterkerkanaal moeilijk zijn. Het is duidelijk dat een bepaald versterkerkanaal niet alleen zijn eigen ingang verstoort, maar ook de ingang van andere kanalen. De aardstroom vloeit door alle verschillende kanaalingangen en produceert verschillende effecten, maar wordt beïnvloed door elke uitgang, wat meetbaar is.

Tabel 2 toont de harmonischen gemeten op andere niet-aangestuurde kanalen wanneer slechts één kanaal wordt aangestuurd. 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.

Hoe harmonische vervorming in PCB-ontwerp te verminderen?

Dit artikel samenvatting

Simpel gezegd, op een PCB vloeit de terugstroomstroom door verschillende bypass-condensatoren (voor verschillende voedingen) en de voeding zelf, die evenredig is met zijn geleidbaarheid. 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. Gelukkig is het eenvoudig om het gehele aardstroompad te beschermen door een gemeenschappelijk aardingspunt en een aardomloopcondensator aan de uitgangszijde te gebruiken.

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-lay-out is belangrijk om de prestaties van een hoogwaardige versterker te maximaliseren, en de hier besproken problemen zijn niet beperkt tot hf-versterkers. Voor signalen met een lagere frequentie, zoals audio, gelden veel strengere vereisten voor vervorming. Het aardstroomeffect is kleiner bij lage frequenties, maar het kan nog steeds een belangrijk probleem zijn als de vereiste vervormingsindex dienovereenkomstig wordt verbeterd.