Na verdade, placa de circuito impresso (PCB) são feitos de materiais elétricos lineares, ou seja, sua impedância deve ser constante. Então, por que um PCB introduz não linearidade em um sinal? A resposta é que o layout do PCB é “espacialmente não linear” em relação a onde a corrente flui.

Se o amplificador recebe corrente de uma fonte ou de outra depende da polaridade instantânea do sinal na carga. 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. Em um plano de aterramento, geralmente há mais de um caminho de baixa impedância através do qual uma grande proporção da corrente de terra flui: um caminho é diretamente conectado ao capacitor de bypass; O outro excita o resistor de entrada até que o capacitor de bypass seja alcançado. A Figura 1 ilustra esses dois caminhos. The backflow current is what’s really causing the problem.

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Quando os capacitores de bypass são colocados em posições diferentes no PCB, a corrente de terra flui por caminhos diferentes para os respectivos capacitores de bypass, que é o significado de “não linearidade espacial”. 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. Se a outra polaridade da corrente de aterramento não for perturbada, a tensão do sinal de entrada muda de maneira não linear. Quando um componente de polaridade é alterado, mas a outra polaridade não, a distorção ocorre e se manifesta como a segunda distorção harmônica do sinal de saída. A Figura 2 mostra esse efeito de distorção de forma exagerada.

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Quando apenas um componente polar da onda senoidal é perturbado, a forma de onda resultante não é mais uma onda senoidal. A simulação de um amplificador ideal com uma carga de 100-ω e o acoplamento da corrente de carga através de um resistor de 1-ω à tensão de aterramento em apenas uma polaridade do sinal resulta na figura 3. Fourier transform shows that the distortion waveform is almost all the second harmonics at -68 DBC. Em altas frequências, esse nível de acoplamento é facilmente gerado em um PCB, o que pode destruir as excelentes características anti-distorção de um amplificador sem recorrer a muitos dos efeitos não lineares especiais de um 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.

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Multiamplifier chip

O problema dos chips multi-amplificadores (dois, três ou quatro amplificadores) é agravado pela incapacidade de manter a conexão de aterramento do capacitor de bypass longe de toda a entrada. Isso é especialmente verdadeiro para quatro amplificadores. Os chips de amplificador quádruplo têm terminais de entrada em cada lado, portanto, não há espaço para circuitos de desvio que atenuam a perturbação no canal de entrada.

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A Figura 5 mostra uma abordagem simples para um layout de quatro amplificadores. A maioria dos dispositivos se conecta diretamente a um pino de amplificador quádruplo. A corrente de aterramento de uma fonte de alimentação pode perturbar a tensão de aterramento de entrada e a corrente de aterramento da outra fonte de alimentação do canal, resultando em distorção. Por exemplo, o capacitor de desvio (+ Vs) no canal 1 do amplificador quádruplo pode ser colocado diretamente adjacente à sua entrada; O capacitor de desvio (-Vs) pode ser colocado do outro lado da embalagem. A corrente de terra (+ Vs) pode perturbar o canal 1, enquanto a corrente de terra (-vs) não pode.

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Para evitar este problema, deixe a corrente de terra perturbar a entrada, mas deixe a corrente do PCB fluir de uma maneira espacialmente linear. Para conseguir isso, o capacitor de bypass pode ser disposto no PCB de forma que as correntes de terra (+ Vs) e (- Vs) fluam pelo mesmo caminho. Se o sinal de entrada for igualmente perturbado por correntes positivas e negativas, a distorção não ocorrerá. Portanto, alinhe os dois capacitores de bypass um ao lado do outro para que eles compartilhem um ponto de aterramento. Como os dois componentes polares da corrente de aterramento vêm do mesmo ponto (a blindagem do conector de saída ou o aterramento da carga) e ambos fluem de volta para o mesmo ponto (a conexão de aterramento comum do capacitor de bypass), a corrente positiva / negativa flui através o mesmo caminho. Se a resistência de entrada de um canal é perturbada pela corrente (+ Vs), a corrente (- Vs) tem o mesmo efeito sobre ela. 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.

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Para verificar a inferência acima, dois layouts de PCB diferentes foram usados: um layout simples (Figura 5) e um layout de baixa distorção (Figura 6). A distorção produzida pelo amplificador quádruplo FHP3450 usando semicondutor Fairchild é mostrada na tabela 1. A largura de banda típica do FHP3450 é 210 MHz, a inclinação é 1100V / us, a corrente de polarização de entrada é 100nA e a corrente operacional por canal é 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.

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Without an ideal quad amplifier on a PCB, measuring the effects of a single amplifier channel can be difficult. Obviamente, um determinado canal do amplificador perturba não apenas sua própria entrada, mas também a entrada de outros canais. The earth current flows through all the different channel inputs and produces different effects, but is influenced by each output, which is measurable.

A Tabela 2 mostra os harmônicos medidos em outros canais não acionados quando apenas um canal é acionado. O canal não acionado exibe um pequeno sinal (diafonia) na frequência fundamental, mas também produz distorção introduzida diretamente pela corrente de terra na ausência de qualquer sinal fundamental significativo. O layout de baixa distorção na Figura 6 mostra que as características da segunda harmônica e da distorção harmônica total (THD) são muito melhoradas por causa da quase eliminação do efeito da corrente de terra.

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Resumo deste artigo

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. A corrente do sinal de alta frequência flui de volta para o pequeno capacitor de desvio. Correntes de baixa frequência, como aquelas de sinais de áudio, podem fluir principalmente através de capacitores de desvio maiores. Mesmo uma corrente de frequência mais baixa pode “desconsiderar” a capacitância de bypass total e fluir diretamente de volta para o cabo de alimentação. O aplicativo específico determinará qual caminho atual é mais crítico. 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.

A regra de ouro para o layout de HF PCB é manter o capacitor de bypass HF o mais próximo possível do pino de alimentação embalado, mas uma comparação da Figura 5 e da Figura 6 mostra que modificar esta regra para melhorar as características de distorção não faz muita diferença. As características de distorção aprimoradas custaram o acréscimo de cerca de 0.15 polegada de fiação do capacitor de desvio de alta frequência, mas isso teve pouco impacto no desempenho de resposta CA do FHP3450. O layout da placa de circuito impresso é importante para maximizar o desempenho de um amplificador de alta qualidade, e os problemas discutidos aqui não se limitam aos amplificadores hf. Sinais de frequência mais baixa, como áudio, têm requisitos de distorção muito mais rígidos. O efeito da corrente de terra é menor em baixas frequências, mas ainda pode ser um problema importante se o índice de distorção necessário for melhorado de acordo.