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. Prúd prúdi z napájacieho zdroja, cez obtokový kondenzátor, cez zosilňovač do záťaže. Prúd potom putuje z uzemňovacej svorky záťaže (alebo tienenia výstupného konektora dosky plošných spojov) späť do uzemňovacej roviny, cez obtokový kondenzátor a späť do zdroja, ktorý prúd pôvodne dodával.

Koncept minimálnej dráhy prúdu cez impedanciu je nesprávny. Množstvo prúdu vo všetkých rôznych impedančných cestách je úmerné jeho vodivosti. V pozemnej rovine často existuje viac ako jedna cesta s nízkou impedanciou, ktorou preteká veľká časť zemného prúdu: jedna cesta je priamo spojená s obtokovým kondenzátorom; Druhý budí vstupný odpor, kým sa nedosiahne obtokový kondenzátor. Obrázok 1 ilustruje tieto dve cesty. Spätný prúd je to, čo skutočne spôsobuje problém.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

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“. Ak značná časť polárnej zložky zemného prúdu preteká zemou vstupného obvodu, naruší sa iba táto polárna zložka signálu. 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.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

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.Fourierova transformácia ukazuje, že priebeh skreslenia je takmer všetkými druhými harmonickými pri -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. Keď je výstup jedného operačného zosilňovača skreslený v dôsledku dráhy zemného prúdu, tok zemného prúdu je možné nastaviť preskupením obtokovej slučky a udržiavaním vzdialenosti od vstupného zariadenia, ako je to znázornené na obrázku 4.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Čip s viacnásobným zosilňovačom

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.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

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.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

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. Pretože výsledné rušenie je rovnaké bez ohľadu na polaritu, nedochádza k žiadnemu skresleniu, ale dôjde k malej zmene zosilnenia kanála, ako je znázornené na obrázku 6.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

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. Ako je zrejmé z tabuľky 1, čím viac je kanál zdeformovaný, tým lepšie je zlepšenie, takže výkonnosť týchto štyroch kanálov je takmer rovnaká.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Bez ideálneho quad zosilňovača na doske plošných spojov môže byť meranie efektov jedného kanála zosilňovača náročné. Daný kanál zosilňovača evidentne neruší len svoj vlastný vstup, ale aj vstup iných kanálov. Zemný prúd preteká všetkými rôznymi kanálovými vstupmi a vytvára rôzne efekty, ale je ovplyvnený každým výstupom, ktorý je merateľný.

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.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Zhrnutie tohto článku

Jednoducho povedané, na doske plošných spojov prúdi spätný prúd rôznymi obtokovými kondenzátormi (pre rôzne napájacie zdroje) a samotným napájaním, ktoré je úmerné jeho vodivosti. 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. Našťastie je ľahké chrániť celú cestu zemného prúdu pomocou spoločného uzemňovacieho bodu a kondenzátora pozemného bypassu na výstupnej strane.

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.