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. Prąd przepływa następnie z zacisku uziemienia obciążenia (lub ekranu złącza wyjściowego PCB) z powrotem do płaszczyzny uziemienia, przez kondensator obejściowy i z powrotem do źródła, które pierwotnie dostarczało prąd.

Koncepcja minimalnej drogi przepływu prądu przez impedancję jest błędna. Ilość prądu na wszystkich ścieżkach o różnych impedancjach jest proporcjonalna do jego przewodności. 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. Prąd wsteczny jest tym, co naprawdę powoduje problem.

Jak zmniejszyć zniekształcenia harmoniczne w projektowaniu PCB?

Gdy kondensatory bocznikujące są umieszczone w różnych miejscach na płytce drukowanej, prąd uziemienia przepływa różnymi ścieżkami do odpowiednich kondensatorów bocznikujących, co oznacza „nieliniowość przestrzenną”. Jeżeli znaczna część składowej biegunowej prądu doziemnego przepływa przez masę obwodu wejściowego, tylko ta składowa biegunowa sygnału zostaje zakłócona. 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.

Jak zmniejszyć zniekształcenia harmoniczne w projektowaniu PCB?

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.Transformacja Fouriera pokazuje, że przebieg zniekształceń to prawie wszystkie drugie harmoniczne przy -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. Gdy sygnał wyjściowy pojedynczego wzmacniacza operacyjnego jest zniekształcony z powodu ścieżki prądu doziemnego, przepływ prądu doziemnego można regulować, przestawiając pętlę obejściową i utrzymując odległość od urządzenia wejściowego, jak pokazano na rysunku 4.

Jak zmniejszyć zniekształcenia harmoniczne w projektowaniu PCB?

Układ multiwzmacniacza

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.

Jak zmniejszyć zniekształcenia harmoniczne w projektowaniu PCB?

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.

Jak zmniejszyć zniekształcenia harmoniczne w projektowaniu PCB?

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. Ponieważ wynikowe zakłócenie jest takie samo niezależnie od biegunowości, nie ma zniekształceń, ale wystąpi niewielka zmiana wzmocnienia kanału, jak pokazano na rysunku 6.

Jak zmniejszyć zniekształcenia harmoniczne w projektowaniu PCB?

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. Jak widać z tabeli 1, im bardziej zniekształcony kanał, tym lepsza poprawa, tak że cztery kanały mają prawie taką samą wydajność.

Jak zmniejszyć zniekształcenia harmoniczne w projektowaniu PCB?

Bez idealnego poczwórnego wzmacniacza na płytce drukowanej pomiar efektów pojedynczego kanału wzmacniacza może być trudny. Oczywiście dany kanał wzmacniacza zakłóca nie tylko wejście własne, ale także wejście innych kanałów. Prąd doziemny przepływa przez wszystkie różne wejścia kanału i wywołuje różne efekty, ale każde wyjście ma na niego wpływ, co jest mierzalne.

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.

Jak zmniejszyć zniekształcenia harmoniczne w projektowaniu PCB?

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. Na szczęście łatwo jest zabezpieczyć całą ścieżkę prądu uziemienia, używając wspólnego punktu uziemienia i kondensatora obejścia uziemienia po stronie wyjściowej.

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.