W rzeczywistości, Płytka drukowana (PCB) wykonane są z elektrycznych materiałów liniowych, tzn. ich impedancja powinna być stała. Dlaczego więc PCB wprowadza nieliniowość do sygnału? Odpowiedź brzmi, że układ PCB jest „przestrzennie nieliniowy” w stosunku do miejsca, w którym płynie prąd.

To, czy wzmacniacz odbiera prąd z jednego lub drugiego źródła, zależy od chwilowej polaryzacji sygnału na obciążeniu. Prąd płynie z zasilacza, przez kondensator bocznikowy, przez wzmacniacz do obciążenia. 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. W płaszczyźnie uziemienia często występuje więcej niż jedna ścieżka o niskiej impedancji, przez którą przepływa duża część prądu uziemienia: jedna ścieżka jest bezpośrednio połączona z kondensatorem obejściowym; Drugi wzbudza rezystor wejściowy, aż do osiągnięcia kondensatora obejściowego. Rysunek 1 ilustruje te dwie ścieżki. The backflow current is what’s really causing the problem.

Zatwierdź

Gdy kondensatory bocznikujące są umieszczone w różnych miejscach na płytce drukowanej, prąd uziemienia przepływa różnymi ścieżkami do odpowiednich kondensatorów bocznikujących, co oznacza „nieliniowość przestrzenną”. 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. Jeżeli druga biegunowość prądu doziemnego nie zostanie zakłócona, napięcie sygnału wejściowego zmienia się w sposób nieliniowy. Kiedy jeden składnik polaryzacji jest zmieniony, ale druga polaryzacja nie, pojawia się zniekształcenie i objawia się jako zniekształcenie drugiej harmonicznej sygnału wyjściowego. Rysunek 2 pokazuje ten efekt zniekształcenia w przesadnej formie.

Zatwierdź

Gdy tylko jedna biegunowa składowa fali sinusoidalnej jest zaburzona, wynikowy kształt fali nie jest już falą sinusoidalną. Symulacja idealnego wzmacniacza z obciążeniem 100 Ω i sprzęganie prądu obciążenia przez rezystor 1 Ω z napięciem masy tylko na jednej biegunowości sygnału daje wynik na rysunku 3. Fourier transform shows that the distortion waveform is almost all the second harmonics at -68 DBC. Przy wysokich częstotliwościach taki poziom sprzężenia jest łatwo generowany na płytce drukowanej, co może zniszczyć doskonałe właściwości przeciwzakłóceniowe wzmacniacza bez uciekania się do wielu specjalnych efektów nieliniowych płytki drukowanej. 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.

Zatwierdź

Multiamplifier chip

Problem chipów z wieloma wzmacniaczami (dwa, trzy lub cztery wzmacniacze) jest spotęgowany przez niemożność utrzymania uziemienia kondensatora obejściowego z dala od całego wejścia. Dotyczy to zwłaszcza czterech wzmacniaczy. Układy z czterema wzmacniaczami mają zaciski wejściowe z każdej strony, więc nie ma miejsca na obwody obejściowe, które łagodzą zakłócenia w kanale wejściowym.

Zatwierdź

Rysunek 5 pokazuje proste podejście do układu z czterema wzmacniaczami. Większość urządzeń łączy się bezpośrednio z pinem poczwórnego wzmacniacza. Prąd doziemny jednego zasilacza może zakłócić wejściowe napięcie doziemne i prąd doziemny zasilacza drugiego kanału, powodując zniekształcenia. Na przykład kondensator bocznikujący (+Vs) na kanale 1 poczwórnego wzmacniacza może być umieszczony bezpośrednio przy jego wejściu; Kondensator obejściowy (-Vs) można umieścić po drugiej stronie obudowy. Prąd uziemienia (+Vs) może zakłócać kanał 1, podczas gdy prąd uziemienia (-vs) może nie.

Zatwierdź

Aby uniknąć tego problemu, pozwól, aby prąd uziemienia zakłócał wejście, ale pozwól, aby prąd PCB płynął przestrzennie liniowo. Aby to osiągnąć, kondensator bocznikujący można umieścić na płytce drukowanej w taki sposób, aby prądy doziemne (+Vs) i (–Vs) płynęły tą samą ścieżką. Jeżeli sygnał wejściowy jest jednakowo zakłócany przez prądy dodatnie i ujemne, zniekształcenia nie wystąpią. Dlatego ustaw dwa kondensatory obejściowe obok siebie tak, aby miały wspólny punkt uziemienia. Ponieważ dwie biegunowe składowe prądu doziemnego pochodzą z tego samego punktu (ekranowanie złącza wyjściowego lub uziemienie obciążenia) i obie płyną z powrotem do tego samego punktu (wspólne połączenie uziemienia kondensatora obejściowego), prąd dodatni/ujemny przepływa przez tą samą ścieżką. Jeśli rezystancja wejściowa kanału jest zakłócona przez prąd (+Vs), prąd (–Vs) ma na nią taki sam wpływ. 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.

Zatwierdź

Aby zweryfikować powyższe wnioskowanie, zastosowano dwa różne układy PCB: układ prosty (Rysunek 5) i układ o niskim poziomie zniekształceń (Rysunek 6). Zniekształcenia wytwarzane przez czterooperacyjny wzmacniacz FHP3450 wykorzystujący półprzewodnik Fairchilda pokazano w tabeli 1. Typowa szerokość pasma FHP3450 wynosi 210 MHz, nachylenie 1100 V/us, wejściowy prąd polaryzacji 100 nA, a prąd roboczy na kanał 3.6 mama. 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.

Zatwierdź

Without an ideal quad amplifier on a PCB, measuring the effects of a single amplifier channel can be difficult. Oczywiście dany kanał wzmacniacza zakłóca nie tylko wejście własne, ale także wejście innych kanałów. The earth current flows through all the different channel inputs and produces different effects, but is influenced by each output, which is measurable.

Tabela 2 pokazuje harmoniczne zmierzone na innych niesterowanych kanałach, gdy tylko jeden kanał jest wysterowany. Niewysterowany kanał wyświetla niewielki sygnał (przesłuch) o częstotliwości podstawowej, ale także wytwarza zniekształcenia bezpośrednio wprowadzone przez prąd uziemienia przy braku znaczącego sygnału podstawowego. Układ o niskim poziomie zniekształceń na rysunku 6 pokazuje, że charakterystyka drugiej harmonicznej i całkowitego zniekształcenia harmonicznego (THD) uległa znacznej poprawie dzięki prawie wyeliminowaniu efektu prądu doziemnego.

Zatwierdź

Podsumowanie tego artykułu

Mówiąc najprościej, na płytce drukowanej prąd wsteczny przepływa przez różne kondensatory obejściowe (dla różnych zasilaczy) i sam zasilacz, który jest proporcjonalny do jego przewodności. Prąd sygnału o wysokiej częstotliwości wraca do małego kondensatora obejściowego. Prądy o niskiej częstotliwości, takie jak prądy sygnałów audio, mogą płynąć głównie przez większe kondensatory obejściowe. Nawet prąd o niższej częstotliwości może „zignorować” pojemność pełnego obejścia i płynąć bezpośrednio z powrotem do przewodu zasilającego. Konkretna aplikacja określi, która bieżąca ścieżka jest najbardziej krytyczna. 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.

Złotą zasadą dla układu PCB HF jest utrzymywanie kondensatora obejściowego HF jak najbliżej styku zasilania, ale porównanie rysunku 5 i rysunku 6 pokazuje, że modyfikacja tej zasady w celu poprawy charakterystyki zniekształceń nie robi dużej różnicy. Poprawiona charakterystyka zniekształceń nastąpiła kosztem dodania około 0.15 cala okablowania kondensatora obejściowego wysokiej częstotliwości, ale miało to niewielki wpływ na charakterystykę odpowiedzi AC FHP3450. Układ PCB jest ważny, aby zmaksymalizować wydajność wysokiej jakości wzmacniacza, a omawiane tutaj kwestie nie ograniczają się do wzmacniaczy w.cz. Sygnały o niższej częstotliwości, takie jak audio, mają znacznie bardziej rygorystyczne wymagania dotyczące zniekształceń. Wpływ prądu doziemnego jest mniejszy przy niskich częstotliwościach, ale nadal może stanowić poważny problem, jeśli wymagany współczynnik zniekształceń zostanie odpowiednio poprawiony.