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. A corrente flui da fonte de alimentação, através do capacitor de bypass, através do amplificador para a carga. A corrente então viaja do terminal de aterramento de carga (ou blindagem do conector de saída do PCB) de volta ao plano de aterramento, através do capacitor de bypass, e de volta à fonte que originalmente forneceu a corrente.

O conceito de caminho mínimo da corrente através da impedância está incorreto. A quantidade de corrente em todos os caminhos de impedância diferentes é proporcional à sua condutividade. 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. A corrente de refluxo é o que realmente está causando o problema.

Como reduzir a distorção harmônica no design de PCB

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”. Se uma parte significativa de um componente polar da corrente de aterramento flui através do aterramento do circuito de entrada, apenas aquele componente polar do sinal é perturbado. 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.

Como reduzir a distorção harmônica no design de PCB

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.A transformada de Fourier mostra que a forma de onda de distorção é quase todos os segundos harmônicos em -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. Quando a saída de um único amplificador operacional é distorcida devido ao caminho da corrente de terra, o fluxo de corrente de terra pode ser ajustado reorganizando o loop de desvio e mantendo distância do dispositivo de entrada, como mostrado na Figura 4.

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Chip multiamplificador

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.

Como reduzir a distorção harmônica no design de PCB

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. Como o distúrbio resultante é o mesmo, independentemente da polaridade, não há distorção, mas ocorrerá uma pequena mudança no ganho do canal, conforme mostrado na Figura 6.

Como reduzir a distorção harmônica no design de PCB

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. Como pode ser visto na Tabela 1, quanto mais distorcido o canal, melhor a melhoria, de modo que os quatro canais são quase iguais em desempenho.

Como reduzir a distorção harmônica no design de PCB

Sem um amplificador quádruplo ideal em um PCB, medir os efeitos de um único canal do amplificador pode ser difícil. Obviamente, um determinado canal do amplificador perturba não apenas sua própria entrada, mas também a entrada de outros canais. A corrente de terra flui por todas as entradas de canal diferentes e produz efeitos diferentes, mas é influenciada por cada saída, que é mensurável.

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.

Como reduzir a distorção harmônica no design de PCB

Resumo deste artigo

Simplificando, em um PCB, a corrente de refluxo flui através de diferentes capacitores de bypass (para diferentes fontes de alimentação) e da própria fonte de alimentação, que é proporcional à sua condutividade. 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. Felizmente, é fácil proteger todo o caminho da corrente de aterramento usando um ponto de aterramento comum e um capacitor de bypass de aterramento no lado da saída.

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.