Hvordan redusere harmonisk forvrengning i PCB -design?

Faktisk, trykte kretskort (PCB) er laget av elektriske lineære materialer, dvs. at deres impedans skal være konstant. Så hvorfor introduserer et kretskort ikke -linearitet i et signal? Svaret er at PCB-oppsettet er “romlig ikke-lineært” i forhold til hvor strømmen flyter.

Om forsterkeren mottar strøm fra en eller annen kilde, avhenger av øyeblikkelig polaritet av signalet på belastningen. Strøm strømmer fra strømforsyningen, gjennom bypass -kondensatoren, gjennom forsterkeren til lasten. Strømmen går deretter fra lastjordterminalen (eller skjerming av PCB -utgangskontakten) tilbake til jordplanet, gjennom bypass -kondensatoren og tilbake til kilden som opprinnelig leverte strømmen.

ipcb

Konseptet om minimumsbane for strøm gjennom impedans er feil. Mengden strøm i alle forskjellige impedansbaner er proporsjonal med dens konduktivitet. I et jordplan er det ofte mer enn en bane med lav impedans som en stor andel jordstrøm strømmer gjennom: en bane er direkte koblet til bypass-kondensatoren; Den andre begeistrer inngangsmotstanden til bypass -kondensatoren er nådd. Figur 1 illustrerer disse to banene. Tilbakestrømningsstrømmen er det som virkelig forårsaker problemet.

Hvordan redusere harmonisk forvrengning i PCB -design

Når bypass -kondensatorene er plassert på forskjellige posisjoner på kretskortet, strømmer jordstrømmen gjennom forskjellige baner til de respektive bypass -kondensatorene, som er meningen med “romlig ikke -linearitet”. Hvis en betydelig del av en polær komponent av jordstrømmen strømmer gjennom bakken til inngangskretsen, blir bare den polare komponenten i signalet forstyrret. Hvis den andre polariteten til jordstrømmen ikke forstyrres, endres inngangssignalspenningen på en ikke -lineær måte. Når den ene polaritetskomponenten endres, men den andre polariteten ikke, oppstår forvrengning og manifesteres som den andre harmoniske forvrengningen av utgangssignalet. Figur 2 viser denne forvrengningseffekten i overdrevet form.

Hvordan redusere harmonisk forvrengning i PCB -design

Når bare én polær komponent i sinusbølgen forstyrres, er den resulterende bølgeformen ikke lenger en sinusbølge. Simulering av en ideell forsterker med en 100 ω belastning og kobling av laststrømmen gjennom en 1 ω motstand til jordspenningen på bare én polaritet av signalet, resulterer i figur 3.Fouriertransform viser at forvrengningsbølgeformen er nesten alle andre harmoniske ved -68 DBC. Ved høye frekvenser genereres dette koblingsnivået enkelt på et PCB, noe som kan ødelegge de utmerkede anti-forvrengningsegenskapene til en forsterker uten å ty til mye av de spesielle ikke-lineære effektene av et PCB. Når utgangen til en enkelt operasjonsforsterker er forvrengt på grunn av jordstrømbanen, kan jordstrømmen justeres ved å omorganisere bypass -sløyfen og opprettholde avstanden fra inngangsenheten, som vist i figur 4.

Hvordan redusere harmonisk forvrengning i PCB -design

Multiforsterkerbrikke

Problemet med flerforsterkerbrikker (to, tre eller fire forsterkere) forsterkes av manglende evne til å holde jordforbindelsen til bypass-kondensatoren langt fra hele inngangen. Dette gjelder spesielt for fire forsterkere. Quad-forsterkerchips har inngangsterminaler på hver side, så det er ikke plass til bypass-kretser som demper forstyrrelser i inngangskanalen.

Hvordan redusere harmonisk forvrengning i PCB -design

Figur 5 viser en enkel tilnærming til et fire-forsterkeroppsett. De fleste enheter kobles direkte til en quad -forsterkerpinne. Jordstrømmen til en strømforsyning kan forstyrre inngangsspenningen og jordstrømmen til den andre kanalens strømforsyning, noe som kan føre til forvrengning. For eksempel kan (+Vs) bypass -kondensatoren på kanal 1 til quad -forsterkeren plasseres direkte ved siden av inngangen; Bypass-kondensatoren (-Vs) kan plasseres på den andre siden av pakken. Jordstrømmen (+Vs) kan forstyrre kanal 1, mens (-vs) jordstrømmen ikke gjør det.

Hvordan redusere harmonisk forvrengning i PCB -design

For å unngå dette problemet, la jordstrømmen forstyrre inngangen, men la PCB -strømmen flyte på en romlig lineær måte. For å oppnå dette kan bypass -kondensatoren arrangeres på kretskortet på en slik måte at (+Vs) og ( – Vs) jordstrømmene flyter gjennom den samme banen. Hvis inngangssignalet blir like forstyrret av positive og negative strømmer, vil det ikke forekomme forvrengning. Juster derfor de to bypass -kondensatorene ved siden av hverandre slik at de deler et bakkepunkt. Fordi de to polære komponentene i jordstrømmen kommer fra det samme punktet (utgangskontakten skjermet eller lastjordet) og begge flyter tilbake til det samme punktet (den vanlige jordforbindelsen til bypass -kondensatoren), strømmer den positive/negative strømmen gjennom samme vei. Hvis inngangsmotstanden til en kanal forstyrres av (+Vs) strøm, har ( – Vs) strøm den samme effekten på den. Fordi den resulterende forstyrrelsen er den samme uavhengig av polariteten, er det ingen forvrengning, men en liten endring i forsterkningen til kanalen vil skje, som vist i figur 6.

Hvordan redusere harmonisk forvrengning i PCB -design

For å bekrefte slutningen ovenfor ble det brukt to forskjellige PCB-oppsett: en enkel layout (figur 5) og en layout med lav forvrengning (figur 6). Forvrengningen produsert av FHP3450 firdriftsforsterker ved bruk av fairchild halvleder er vist i tabell 1. Den typiske båndbredden til FHP3450 er 210MHz, stigningen er 1100V/us, inngangsspenningen er 100nA, og driftsstrømmen per kanal er 3.6 mA. Som det fremgår av tabell 1, jo mer forvrengt kanalen er, desto bedre er forbedringen, slik at de fire kanalene er nesten like store i ytelse.

Hvordan redusere harmonisk forvrengning i PCB -design

Uten en ideell quad -forsterker på et PCB kan det være vanskelig å måle effekten av en enkelt forsterkerkanal. Tydeligvis forstyrrer en gitt forsterkerkanal ikke bare sin egen inngang, men også inngangen til andre kanaler. Jordstrømmen strømmer gjennom alle de forskjellige kanalinngangene og gir forskjellige effekter, men påvirkes av hver utgang, som er målbar.

Tabell 2 viser harmonikken målt på andre ikke -drevne kanaler når bare én kanal drives. Den ikke -drevne kanalen viser et lite signal (krysstale) ved grunnfrekvensen, men produserer også forvrengning direkte innført av jordstrømmen i fravær av et vesentlig grunnleggende signal. Lavforvrengningsoppsettet i figur 6 viser at de andre harmoniske og totale harmoniske forvrengningsegenskapene (THD) er sterkt forbedret på grunn av nær eliminering av jordstrømseffekten.

Hvordan redusere harmonisk forvrengning i PCB -design

Denne artikkelen oppsummering

Enkelt sagt, på en PCB, strømmer tilbakestrømningsstrømmen gjennom forskjellige bypass -kondensatorer (for forskjellige strømforsyninger) og selve strømforsyningen, som er proporsjonal med dens konduktivitet. Høyfrekvent signalstrøm strømmer tilbake til den lille bypass-kondensatoren. Lavfrekvente strømmer, for eksempel lydsignaler, kan primært strømme gjennom større bypass-kondensatorer. Selv en lavere frekvensstrøm kan “se bort fra” full bypass -kapasitans og strømme direkte tilbake til strømledningen. Den spesifikke applikasjonen vil avgjøre hvilken nåværende bane som er mest kritisk. Heldigvis er det enkelt å beskytte hele jordstrømbanen ved å bruke et felles jordpunkt og en jordomløpskondensator på utgangssiden.

Den gylne regelen for HF PCB -layout er å holde HF -bypass -kondensatoren så nær den pakkede strømnålen som mulig, men en sammenligning av figur 5 og figur 6 viser at endring av denne regelen for å forbedre forvrengningskarakteristika ikke gjør så stor forskjell. De forbedrede forvrengningsegenskapene kom på bekostning av å legge til ca. PCB-oppsett er viktig for å maksimere ytelsen til en forsterker av høy kvalitet, og problemene som diskuteres her er ikke begrenset til hf-forsterkere. Lavere frekvenssignaler som lyd har mye strengere forvrengningskrav. Jordstrømseffekten er mindre ved lave frekvenser, men det kan fortsatt være et viktig problem hvis den nødvendige forvrengningsindeksen blir forbedret tilsvarende.