V skutočnosti, vytlačená obvodová doska (PCB) sú vyrobené z elektrických lineárnych materiálov, tj. Ich impedancia by mala byť konštantná. Prečo teda PCB zavádza do signálu nelinearitu? Odpoveď je, že rozloženie DPS je „priestorovo nelineárne“ v porovnaní s miestom, kde prúdi.

To, či zosilňovač prijíma prúd z jedného alebo druhého zdroja, závisí od okamžitej polarity signálu na záťaži. 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; Druhý budí vstupný odpor, kým sa nedosiahne obtokový kondenzátor. Obrázok 1 ilustruje tieto dve cesty. The backflow current is what’s really causing the problem.

predložiť

Keď sú obtokové kondenzátory umiestnené na rôznych miestach na doske plošných spojov, pozemný prúd preteká rôznymi cestami k príslušným obtokovým kondenzátorom, čo znamená „priestorovú nelinearitu“. 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. Ak nie je narušená iná polarita zemného prúdu, napätie vstupného signálu sa nelineárne zmení. Keď sa zmení jedna zložka polarity, ale iná polarita nie, dôjde k skresleniu a prejavuje sa ako druhé harmonické skreslenie výstupného signálu. Obrázok 2 ukazuje tento skresľujúci efekt v prehnanej forme.

predložiť

Keď je narušená iba jedna polárna zložka sínusovej vlny, výsledný tvar vlny už nie je sínusovou vlnou. Simulácia ideálneho zosilňovača so záťažou 100 ω a prepojenie zaťažovacieho prúdu cez odpor 1-ω s pozemným napätím iba na jednej polarite signálu, ukazuje obrázok 3. Fourier transform shows that the distortion waveform is almost all the second harmonics at -68 DBC. Pri vysokých frekvenciách sa táto úroveň väzby ľahko generuje na doske plošných spojov, ktorá môže zničiť vynikajúce charakteristiky skreslenia zosilňovača bez toho, aby sa uchýlili k veľkej časti špeciálnych nelineárnych účinkov dosky plošných spojov. 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.

predložiť

Multiamplifier chip

Problém čipov s viacerými zosilňovačmi (dva, tri alebo štyri zosilňovače) je umocnený neschopnosťou udržať uzemňovacie spojenie obtokového kondenzátora ďaleko od celého vstupu. To platí najmä pre štyri zosilňovače. Čipy so štyrmi zosilňovačmi majú vstupné svorky na každej strane, takže nie je miesto pre obtokové obvody, ktoré zmierňujú rušenie vstupného kanála.

predložiť

Obrázok 5 ukazuje jednoduchý prístup k rozloženiu štyroch zosilňovačov. Väčšina zariadení sa pripája priamo na kolík zosilňovača so štyrmi zosilňovačmi. Zemný prúd jedného zdroja napájania môže rušiť vstupné uzemňovacie napätie a uzemňovací prúd druhého kanálového zdroja energie, čo má za následok skreslenie. Napríklad (+Vs) bypassový kondenzátor na kanáli 1 zosilňovača quad môže byť umiestnený priamo vedľa jeho vstupu; Obtokový kondenzátor (-Vs) môže byť umiestnený na druhej strane balenia. Zemný prúd (+Vs) môže rušiť kanál 1, zatiaľ čo pozemný prúd (-vs) nemusí.

predložiť

Aby ste sa tomuto problému vyhli, nechajte zemný prúd narušiť vstup, ale prúd PCB nechajte prúdiť priestorovo lineárne. Aby sa to dosiahlo, obtokový kondenzátor môže byť na doske plošných spojov usporiadaný tak, že zemné prúdy (+Vs) a ( – Vs) pretekajú rovnakou cestou. Ak je vstupný signál rovnako rušený kladnými aj zápornými prúdmi, nedôjde k skresleniu. Preto zarovnajte dva obtokové kondenzátory vedľa seba tak, aby zdieľali základný bod. Pretože dve polárne zložky zemného prúdu pochádzajú z rovnakého bodu (tienenie výstupného konektora alebo uzemnenie záťaže) a obidva tečú späť do rovnakého bodu (spoločné uzemňovacie spojenie obtokového kondenzátora), kladný/záporný prúd preteká cez rovnaká cesta. Ak je vstupný odpor kanála narušený prúdom (+Vs), prúd ( – Vs) naň má rovnaký účinok. 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.

predložiť

Na overenie vyššie uvedeného záveru boli použité dve rôzne rozloženia DPS: jednoduché rozloženie (obrázok 5) a rozloženie s nízkym skreslením (obrázok 6). Skreslenie, ktoré spôsobuje štvorperový zosilňovač FHP3450 využívajúci polovodič Fairchild, je uvedené v tabuľke 1. Typická šírka pásma FHP3450 je 210 MHz, sklon je 1100 V/us, vstupný predpätý prúd je 100 nA a prevádzkový prúd na kanál je 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.

predložiť

Without an ideal quad amplifier on a PCB, measuring the effects of a single amplifier channel can be difficult. Daný kanál zosilňovača evidentne neruší len svoj vlastný vstup, ale aj vstup iných kanálov. The earth current flows through all the different channel inputs and produces different effects, but is influenced by each output, which is measurable.

Tabuľka 2 ukazuje harmonické namerané na iných kanáloch bez riadiaceho signálu, keď je riadený iba jeden kanál. Kanál bez pásma zobrazuje malý signál (presluch) na základnej frekvencii, ale tiež vytvára skreslenie priamo zavedené zemným prúdom bez akéhokoľvek významného základného signálu. Rozloženie s nízkym skreslením na obrázku 6 ukazuje, že charakteristiky druhého harmonického a celkového harmonického skreslenia (THD) sa výrazne zlepšili kvôli takmer eliminácii účinku zemného prúdu.

predložiť

Zhrnutie tohto článku

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. Vysokofrekvenčný signálny prúd prúdi späť do malého obtokového kondenzátora. Nízkofrekvenčné prúdy, ako napríklad zvukové signály, môžu pretekať predovšetkým väčšími obtokovými kondenzátormi. Aj prúd s nižšou frekvenciou môže „ignorovať“ kapacitu úplného obtoku a prúdiť priamo späť do napájacieho vedenia. Konkrétna aplikácia určí, ktorá aktuálna cesta je najdôležitejšia. 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.

Zlatým pravidlom pre usporiadanie vysokofrekvenčnej dosky plošných spojov je udržať vysokofrekvenčný obtokový kondenzátor čo najbližšie k zabalenému napájaciemu kolíku, ale porovnanie obrázkov 5 a 6 ukazuje, že úpravou tohto pravidla na zlepšenie charakteristík skreslenia nie je veľký rozdiel. Vylepšené charakteristiky skreslenia boli na úkor pridania asi 0.15 palca zapojenia vysokofrekvenčného obtokového kondenzátora, čo však malo malý vplyv na výkon striedavého prúdu FHP3450. Rozloženie PCB je dôležité pre maximalizáciu výkonu vysokokvalitného zosilňovača a problémy, ktoré sú tu diskutované, sa neobmedzujú iba na vysokofrekvenčné zosilňovače. Signály s nižšou frekvenciou, ako je zvuk, majú oveľa prísnejšie požiadavky na skreslenie. Účinok zemného prúdu je pri nízkych frekvenciách menší, ale stále môže byť dôležitým problémom, ak sa zodpovedajúcim spôsobom zlepší požadovaný index skreslenia.