По факту, печатная плата (ПП) изготовлены из линейных электрических материалов, т.е. их сопротивление должно быть постоянным. 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. Ток течет от источника питания через байпасный конденсатор через усилитель в нагрузку. Затем ток проходит от клеммы заземления нагрузки (или экранирования выходного разъема печатной платы) обратно на пластину заземления через байпасный конденсатор и обратно к источнику, который изначально подавал ток.

Концепция минимального пути прохождения тока через импеданс неверна. Сила тока на всех путях полного сопротивления пропорциональна его проводимости. В плоскости заземления часто имеется несколько путей с низким сопротивлением, по которым протекает большая часть тока заземления: один путь напрямую подключен к байпасному конденсатору; Другой возбуждает входной резистор до тех пор, пока не будет достигнут байпасный конденсатор. Рисунок 1 иллюстрирует эти два пути. Обратный ток – вот что действительно вызывает проблему.

Как уменьшить гармонические искажения при проектировании печатной платы

Когда байпасные конденсаторы размещаются в разных местах на печатной плате, ток заземления течет по разным путям к соответствующим байпасным конденсаторам, что означает «пространственную нелинейность». Если значительная часть полярной составляющей тока заземления протекает через землю входной цепи, нарушается только эта полярная составляющая сигнала. Если другая полярность тока заземления не нарушена, напряжение входного сигнала изменяется нелинейным образом. 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.

Как уменьшить гармонические искажения при проектировании печатной платы

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.Преобразование Фурье показывает, что форма сигнала искажения представляет собой почти все вторые гармоники при -68 дБн. 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. Когда выходной сигнал одиночного операционного усилителя искажается из-за пути тока заземления, протекание тока заземления можно отрегулировать, переставив контур байпаса и соблюдая дистанцию ​​от устройства ввода, как показано на рисунке 4.

Как уменьшить гармонические искажения при проектировании печатной платы

Чип усилителя

Проблема микросхем с несколькими усилителями (два, три или четыре усилителя) усугубляется невозможностью удерживать заземление байпасного конденсатора далеко от всего входа. 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.

Как уменьшить гармонические искажения при проектировании печатной платы

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.

Как уменьшить гармонические искажения при проектировании печатной платы

Чтобы избежать этой проблемы, позвольте току земли возмущать вход, но пусть ток на печатной плате течет линейно в пространстве. Для этого байпасный конденсатор может быть расположен на печатной плате таким образом, чтобы токи заземления (+ Vs) и (- Vs) протекали по одному и тому же пути. Если входной сигнал одинаково нарушен положительными и отрицательными токами, искажений не произойдет. 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. Поскольку результирующие помехи одинаковы независимо от полярности, искажений нет, но произойдет небольшое изменение усиления канала, как показано на рисунке 6.

Как уменьшить гармонические искажения при проектировании печатной платы

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. Как видно из таблицы 1, чем больше искажений канал, тем лучше улучшение, так что четыре канала почти равны по производительности.

Как уменьшить гармонические искажения при проектировании печатной платы

Без идеального четырехъядерного усилителя на печатной плате измерение влияния одного канала усилителя может быть затруднено. Очевидно, что данный канал усилителя мешает не только своему собственному входу, но и входам других каналов. Ток заземления протекает через все входы различных каналов и производит разные эффекты, но на него влияет каждый выход, который можно измерить.

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.

Как уменьшить гармонические искажения при проектировании печатной платы

Резюме этой статьи

Проще говоря, на плате обратный ток протекает через разные байпасные конденсаторы (для разных блоков питания) и сам блок питания, что пропорционально его проводимости. 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. К счастью, можно легко защитить весь путь заземления, используя общую точку заземления и конденсатор обхода заземления на выходной стороне.

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. Влияние тока заземления меньше на низких частотах, но это все еще может быть важной проблемой, если требуемый индекс искажения соответствующим образом улучшен.