De fapt, circuit imprimat bord (PCB) sunt realizate din materiale liniare electrice, adică impedanța lor ar trebui să fie constantă. Deci, de ce un PCB introduce neliniaritatea într-un semnal? Răspunsul este că aspectul PCB este „spațial neliniar” în raport cu locul în care curge curentul.

Dacă amplificatorul primește curent de la o sursă sau alta depinde de polaritatea instantanee a semnalului de pe sarcină. Curentul curge de la sursa de alimentare, prin condensatorul de bypass, prin amplificator în sarcină. Curentul se deplasează apoi de la borna de împământare a sarcinii (sau ecranarea conectorului de ieșire PCB) înapoi la planul de masă, prin condensatorul de bypass și înapoi la sursa care a furnizat inițial curentul.

Conceptul de cale minimă a curentului prin impedanță este incorect. Cantitatea de curent în toate căile de impedanță diferite este proporțională cu conductivitatea sa. Într-un plan de masă, există adesea mai multe căi cu impedanță redusă prin care curge o proporție mare de curent de masă: o cale este conectată direct la condensatorul de bypass; Celălalt excită rezistența de intrare până când se ajunge la condensatorul de bypass. Figura 1 ilustrează aceste două căi. Curentul de reflux este ceea ce cauzează cu adevărat problema.

Cum se reduce distorsiunea armonică în proiectarea PCB

Când condensatorii de bypass sunt așezați în poziții diferite pe PCB, curentul de la sol curge prin diferite căi către condensatorii de bypass respectivi, ceea ce înseamnă „neliniaritatea spațială”. Dacă o porțiune semnificativă a unei componente polare a curentului de masă curge prin solul circuitului de intrare, numai acea componentă polară a semnalului este perturbată. Dacă cealaltă polaritate a curentului de masă nu este perturbată, tensiunea semnalului de intrare se schimbă într-o manieră neliniară. Când o componentă de polaritate este schimbată, dar cealaltă polaritate nu, distorsiunea apare și se manifestă ca a doua distorsiune armonică a semnalului de ieșire. Figura 2 arată acest efect de distorsiune într-o formă exagerată.

Cum se reduce distorsiunea armonică în proiectarea PCB

Când doar o componentă polară a undei sinusoidale este perturbată, forma de undă rezultată nu mai este o undă sinusoidală. Simularea unui amplificator ideal cu o sarcină de 100 ω și cuplarea curentului de sarcină printr-un rezistor de 1 ω în tensiunea la sol pe o singură polaritate a semnalului, rezultă în figura 3.Transformata Fourier arată că forma de undă de distorsiune este aproape toate a doua armonici la -68 DBC. La frecvențe înalte, acest nivel de cuplare este generat cu ușurință pe un PCB, care poate distruge caracteristicile excelente de distorsiune ale unui amplificator fără a recurge la o mare parte din efectele neliniare speciale ale unui PCB. Când ieșirea unui singur amplificator operațional este distorsionată din cauza căii de curent la sol, fluxul de curent la sol poate fi ajustat prin rearanjarea buclei de bypass și menținerea distanței de dispozitivul de intrare, așa cum se arată în Figura 4.

Cum se reduce distorsiunea armonică în proiectarea PCB

Cip multiamplificator

Problema cipurilor multi-amplificatoare (două, trei sau patru amplificatoare) este agravată de incapacitatea de a menține conexiunea la sol a condensatorului de bypass departe de întreaga intrare. Acest lucru este valabil mai ales pentru patru amplificatoare. Cipurile cu patru amplificatoare au terminale de intrare pe fiecare parte, deci nu există spațiu pentru circuitele de bypass care diminuează perturbarea canalului de intrare.

Cum se reduce distorsiunea armonică în proiectarea PCB

Figura 5 prezintă o abordare simplă a unui aspect cu patru amplificatoare. Majoritatea dispozitivelor se conectează direct la un pin cu amplificator quad. Curentul de masă al unei surse de alimentare poate perturba tensiunea de masă de intrare și curentul de masă al sursei de alimentare a celuilalt canal, rezultând distorsiuni. De exemplu, condensatorul de bypass (+ Vs) de pe canalul 1 al amplificatorului quad poate fi plasat direct adiacent intrării sale; Condensatorul de by-pass (-Vs) poate fi plasat pe cealaltă parte a pachetului. Curentul de masă (+ Vs) poate perturba canalul 1, în timp ce curentul de masă (-vs) poate să nu fie.

Cum se reduce distorsiunea armonică în proiectarea PCB

Pentru a evita această problemă, lăsați curentul de la sol să perturbe intrarea, dar lăsați curentul PCB să curgă într-un mod liniar spațial. Pentru a realiza acest lucru, condensatorul de by-pass poate fi aranjat pe PCB în așa fel încât curenții (+ Vs) și (- Vs) să curgă prin aceeași cale. Dacă semnalul de intrare este perturbat în mod egal de curenți pozitivi și negativi, nu va apărea distorsiune. Prin urmare, aliniați cei doi condensatori bypass unul lângă celălalt, astfel încât aceștia să aibă un punct de împământare. Deoarece cele două componente polare ale curentului de împământare provin din același punct (ecranarea conectorului de ieșire sau masa de sarcină) și ambele revin în același punct (conexiunea la masă comună a condensatorului de bypass), curentul pozitiv / negativ curge prin aceeași cale. Dacă rezistența de intrare a unui canal este perturbată de curentul (+ Vs), curentul (- Vs) are același efect asupra acestuia. Deoarece perturbarea rezultată este aceeași indiferent de polaritate, nu există distorsiuni, dar se va produce o mică modificare a câștigului canalului, așa cum se arată în Figura 6.

Cum se reduce distorsiunea armonică în proiectarea PCB

Pentru a verifica inferența de mai sus, au fost utilizate două aspecte PCB diferite: un aspect simplu (Figura 5) și un aspect cu distorsiuni reduse (Figura 6). Distorsiunea produsă de amplificatorul quad-operațional FHP3450 utilizând semiconductor fairchild este prezentată în tabelul 1. Lățimea de bandă tipică a FHP3450 este 210MHz, panta este 1100V / us, curentul de polarizare de intrare este 100nA, iar curentul de funcționare pe canal este 3.6 mA. După cum se poate vedea din Tabelul 1, cu cât canalul este mai distorsionat, cu atât îmbunătățirea este mai bună, astfel încât cele patru canale sunt aproape egale în performanță.

Cum se reduce distorsiunea armonică în proiectarea PCB

Fără un amplificator quad ideal pe un PCB, măsurarea efectelor unui singur canal amplificator poate fi dificilă. Evident, un anumit canal amplificator perturbă nu numai propria intrare, ci și intrarea altor canale. Curentul de pământ curge prin toate intrările de canale diferite și produce efecte diferite, dar este influențat de fiecare ieșire, care este măsurabilă.

Tabelul 2 prezintă armonicele măsurate pe alte canale nedentate atunci când este acționat un singur canal. Canalul nedentat afișează un semnal mic (diafragmă) la frecvența fundamentală, dar produce și distorsiuni introduse direct de curentul de la sol în absența oricărui semnal fundamental semnificativ. Aspectul cu distorsiuni reduse din figura 6 arată că a doua caracteristică a distorsiunii armonice și a distorsiunii armonice totale (THD) este mult îmbunătățită din cauza eliminării aproape a efectului curentului la sol.

Cum se reduce distorsiunea armonică în proiectarea PCB

Acest rezumat al articolului

Pur și simplu, pe un PCB, curentul de reflux curge prin diferiți condensatori de bypass (pentru diferite surse de alimentare) și sursa de alimentare în sine, care este proporțională cu conductivitatea sa. Curentul de semnal de înaltă frecvență revine la condensatorul mic de bypass. Curenții de joasă frecvență, precum cei ai semnalelor audio, pot circula în principal prin condensatori de bypass mai mari. Chiar și un curent de frecvență mai scăzut poate „ignora” capacitatea completă de bypass și poate reveni direct la cablul de alimentare. Aplicația specifică va determina care cale curentă este cea mai critică. Din fericire, este ușor să protejați întreaga cale de curent de masă utilizând un punct de masă comun și un condensator de by-pass de masă pe partea de ieșire.

Regula de aur pentru aspectul PCB HF este de a menține condensatorul de by-pass HF cât mai aproape de pinul de alimentare ambalat, dar o comparație din Figura 5 și Figura 6 arată că modificarea acestei reguli pentru a îmbunătăți caracteristicile de distorsiune nu face o mare diferență. Caracteristicile de distorsiune îmbunătățite au venit în detrimentul adăugării a aproximativ 0.15 inci de cablare a condensatorului de bypass de înaltă frecvență, dar acest lucru a avut un impact redus asupra performanței de răspuns CA a FHP3450. Aspectul PCB este important pentru a maximiza performanța unui amplificator de înaltă calitate, iar problemele discutate aici nu se limitează la amplificatoare hf. Semnalele cu frecvență mai mică, cum ar fi sunetul, au cerințe de distorsiune mult mai stricte. Efectul curentului la sol este mai mic la frecvențe joase, dar poate fi totuși o problemă importantă dacă indicele de distorsiune solicitat este îmbunătățit în consecință.