По факту, печатная плата (PCB) are made of electrical linear materials, i.e. their impedance should be constant. Так почему же печатная плата вносит нелинейность в сигнал? Ответ заключается в том, что компоновка печатной платы «пространственно нелинейна» относительно того, где течет ток.

Получает ли усилитель ток от того или иного источника, зависит от мгновенной полярности сигнала на нагрузке. 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. In a ground plane, there is often more than one low-impedance path through which a large proportion of ground current flows: one path is directly connected to the bypass capacitor; Другой возбуждает входной резистор до тех пор, пока не будет достигнут байпасный конденсатор. Figure 1 illustrates these two paths. The backflow current is what’s really causing the problem.

отправить

Когда байпасные конденсаторы размещаются в разных местах на печатной плате, ток заземления течет по разным путям к соответствующим байпасным конденсаторам, что означает «пространственную нелинейность». 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. If the other polarity of the ground current is not disturbed, the input signal voltage changes in a nonlinear manner. Когда одна составляющая полярности изменяется, а другая – нет, возникает искажение, которое проявляется как искажение второй гармоники выходного сигнала. На рис. 2 этот эффект искажения показан в преувеличенном виде.

отправить

Когда нарушается только одна полярная составляющая синусоидальной волны, результирующая форма волны больше не является синусоидальной волной. Результаты моделирования идеального усилителя с нагрузкой 100 Ом и присоединения тока нагрузки через резистор 1 Ом к напряжению заземления только для одной полярности сигнала показаны на рисунке 3. Fourier transform shows that the distortion waveform is almost all the second harmonics at -68 DBC. На высоких частотах этот уровень связи легко создается на печатной плате, что может разрушить отличные характеристики усилителя по борьбе с искажениями, не прибегая к значительной части специальных нелинейных эффектов печатной платы. 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.

отправить

Multiamplifier chip

The problem of multi-amplifier chips (two, three, or four amplifiers) is compounded by the inability to keep the ground connection of the bypass capacitor far from the entire input. Особенно это актуально для четырех усилителей. Чипы с четырьмя усилителями имеют входные клеммы на каждой стороне, поэтому нет места для обходных цепей, которые уменьшают помехи во входном канале.

отправить

На рисунке 5 показан простой подход к схеме с четырьмя усилителями. Большинство устройств подключаются напрямую к выходу четырехъядерного усилителя. Ток заземления одного источника питания может нарушить входное напряжение заземления и ток заземления другого источника питания канала, что приведет к искажению. Например, байпасный конденсатор (+ Vs) на канале 1 четырехъядерного усилителя может быть размещен непосредственно рядом с его входом; Перепускной конденсатор (-Vs) можно разместить на другой стороне корпуса. Ток заземления (+ Vs) может мешать каналу 1, а ток земли (-vs) – нет.

отправить

Чтобы избежать этой проблемы, позвольте току земли возмущать вход, но пусть ток на печатной плате течет линейно в пространстве. To achieve this, the bypass capacitor can be arranged on the PCB in such a way that the (+Vs) and (– Vs) ground currents flow through the same path. If the input signal is equally disturbed by positive and negative currents, distortion will not occur. Поэтому выровняйте два байпасных конденсатора рядом друг с другом так, чтобы они имели общую точку заземления. Поскольку две полярные составляющие тока заземления исходят из одной и той же точки (экран выходного разъема или заземление нагрузки) и обе текут обратно в одну и ту же точку (общее заземление байпасного конденсатора), положительный / отрицательный ток протекает через тот же путь. Если входное сопротивление канала нарушается током (+ Vs), ток (- Vs) оказывает на него такое же влияние. 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.

отправить

Чтобы проверить приведенный выше вывод, были использованы две разные схемы печатной платы: простая схема (рис. 5) и схема с низким уровнем искажений (рис. 6). Искажения, создаваемые четырехоперационным усилителем FHP3450 с использованием полупроводников Fairchild, показаны в таблице 1. Типичная полоса пропускания FHP3450 составляет 210 МГц, наклон составляет 1100 В / мкс, входной ток смещения составляет 100 нА, а рабочий ток на канал составляет 3.6. мА. 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.

отправить

Without an ideal quad amplifier on a PCB, measuring the effects of a single amplifier channel can be difficult. Очевидно, что данный канал усилителя мешает не только своему собственному входу, но и входам других каналов. The earth current flows through all the different channel inputs and produces different effects, but is influenced by each output, which is measurable.

В таблице 2 показаны гармоники, измеренные на других отключенных каналах, когда задействован только один канал. Неуправляемый канал отображает слабый сигнал (перекрестные помехи) на основной частоте, но также производит искажения, непосредственно вносимые током заземления в отсутствие какого-либо значимого основного сигнала. Схема с низким уровнем искажений на рисунке 6 показывает, что характеристики второй гармоники и полного гармонического искажения (THD) значительно улучшены из-за почти полного исключения влияния тока заземления.

отправить

Резюме этой статьи

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. Ток высокочастотного сигнала возвращается к небольшому байпасному конденсатору. Низкочастотные токи, например, звуковые сигналы, могут протекать в основном через большие байпасные конденсаторы. Даже ток более низкой частоты может «не учитывать» полную емкость байпаса и течь обратно к проводу питания. Конкретное приложение определит, какой текущий путь наиболее важен. 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.

Золотое правило для разводки высокочастотной печатной платы состоит в том, чтобы размещать ВЧ байпасный конденсатор как можно ближе к блоку питания, насколько это возможно, но сравнение рисунков 5 и 6 показывает, что изменение этого правила для улучшения характеристик искажения не имеет большого значения. Улучшенные характеристики искажения были достигнуты за счет добавления около 0.15 дюйма высокочастотной проводки байпасного конденсатора, но это мало повлияло на характеристики отклика FHP3450 по переменному току. Компоновка печатной платы важна для достижения максимальной производительности высококачественного усилителя, и обсуждаемые здесь вопросы не ограничиваются ВЧ усилителями. Для сигналов с более низкой частотой, таких как аудио, требования к искажению гораздо строже. The ground current effect is smaller at low frequencies, but it may still be an important problem if the required distortion index is improved accordingly.