Pravzaprav, tiskano vezje (PCB) so izdelani iz električnih linearnih materialov, torej mora biti njihova impedanca konstantna. Zakaj torej PCB vnaša nelinearnost v signal? Odgovor je, da je postavitev tiskanega vezja “prostorsko nelinearna” glede na to, kje teče tok.

Ali ojačevalnik sprejema tok iz enega ali drugega vira, je odvisno od trenutne polarnosti signala na obremenitvi. Tok teče iz napajalnika, skozi obvodni kondenzator, skozi ojačevalnik v obremenitev. Tok nato potuje od ozemljitvenega priključka obremenitve (ali zaščite izhodnega priključka tiskanega vezja) nazaj v ozemljitveno ravnino, skozi obvodni kondenzator in nazaj do vira, ki je prvotno napajal tok.

Koncept najmanjše poti toka skozi impedanco je napačen. Količina toka na vseh različnih impedančnih poteh je sorazmerna z njegovo prevodnostjo. V ozemljitveni ravnini je pogosto več kot ena nizko impedančna pot, po kateri teče velik delež zemeljskega toka: ena pot je neposredno povezana z obvodnim kondenzatorjem; Druga vznemirja vhodni upor, dokler ni dosežen obvodni kondenzator. Slika 1 prikazuje ti dve poti. Težavo v resnici povzroča povratni tok.

Kako zmanjšati harmonično popačenje pri oblikovanju tiskanih vezij

Ko so obvodni kondenzatorji nameščeni na različnih položajih na tiskanem vezju, tok ozemljitve teče po različnih poteh do ustreznih obvodnih kondenzatorjev, kar pomeni “prostorska nelinearnost”. Če pomemben del polarne komponente zemeljskega toka teče skozi ozemljitev vhodnega tokokroga, se moti le ta polarna komponenta signala. Če druga polarnost toka ozemljitve ni motena, se napetost vhodnega signala spremeni nelinearno. Ko se ena komponenta polarnosti spremeni, druga pa ni, pride do popačenja in se kaže kot drugo harmonično popačenje izhodnega signala. Slika 2 prikazuje ta učinek popačenja v pretirani obliki.

Kako zmanjšati harmonično popačenje pri oblikovanju tiskanih vezij

Ko je motena le ena polarna komponenta sinusnega vala, nastala valovna oblika ni več sinusni val. Simulacija idealnega ojačevalnika s 100-ω obremenitvijo in povezovanje toka obremenitve skozi 1-ω upor v ozemljitveno napetost le pri eni polarnosti signala daje sliko 3.Fourierjeva transformacija kaže, da je popačena valovna oblika skoraj vsi drugi harmoniki pri -68 DBC. Pri visokih frekvencah se ta raven sklopke zlahka ustvari na tiskanem vezju, kar lahko uniči odlične lastnosti proti popačenju ojačevalnika, ne da bi pri tem uporabili večino posebnih nelinearnih učinkov tiskanega vezja. Ko je izhod enega samega operacijskega ojačevalnika popačen zaradi poti toka ozemljitve, lahko tok zemeljskega toka prilagodite s preureditvijo obvodne zanke in vzdrževanjem razdalje od vhodne naprave, kot je prikazano na sliki 4.

Kako zmanjšati harmonično popačenje pri oblikovanju tiskanih vezij

Večnamenski ojačevalni čip

Težavo z več ojačevalnimi čipi (dva, tri ali štiri ojačevalnike) povečuje nezmožnost zadrževanja ozemljitvene povezave obvodnega kondenzatorja daleč od celotnega vhoda. To še posebej velja za štiri ojačevalnike. Četvero ojačevalni čipi imajo na vsaki strani vhodne sponke, zato ni prostora za obvodna vezja, ki ublažijo motnje v vhodnem kanalu.

Kako zmanjšati harmonično popačenje pri oblikovanju tiskanih vezij

Slika 5 prikazuje preprost pristop k postavitvi štirih ojačevalnikov. Večina naprav se priključi neposredno na pin štirikratnega ojačevalnika. Ozemljitveni tok enega napajalnika lahko moti vhodno napetost ozemljitve in ozemljitveni tok drugega napajalnika, kar povzroči popačenje. Na primer, obvodni kondenzator (+Vs) na kanalu 1 štirikolesnega ojačevalnika je lahko nameščen neposredno ob njegovem vhodu; (-Vs) bypass kondenzator lahko postavite na drugo stran embalaže. Ozemljitveni tok (+Vs) lahko moti kanal 1, tok ozemljitve (-vs) pa ne.

Kako zmanjšati harmonično popačenje pri oblikovanju tiskanih vezij

Da bi se temu izognili, naj ozemljitveni tok moti vhod, vendar naj tok PCB teče prostorsko linearno. Da bi to dosegli, lahko obvodni kondenzator razporedimo na tiskano vezje tako, da zemeljski tokovi (+Vs) in ( – Vs) tečejo po isti poti. Če vhodni signal enako motijo ​​pozitivni in negativni tokovi, do popačenja ne bo prišlo. Zato poravnajte oba obvodna kondenzatorja drug poleg drugega, tako da si delita ozemljitveno točko. Ker dve polarni komponenti ozemljitvenega toka prihajata iz iste točke (zaščita izhodnega konektorja ali obremenitvena masa) in oba tečeta nazaj v isto točko (skupna ozemljitvena povezava obvodnega kondenzatorja), pozitivni/negativni tok teče skozi ista pot. Če vhodni upor kanala moti tok (+Vs), ima tok ( – Vs) nanj enak učinek. Ker je posledična motnja enaka ne glede na polarnost, ni popačenja, vendar se bo pojavila majhna sprememba dobička kanala, kot je prikazano na sliki 6.

Kako zmanjšati harmonično popačenje pri oblikovanju tiskanih vezij

Za preverjanje zgornjega sklepa smo uporabili dve različni postavitvi tiskanega vezja: preprosto postavitev (slika 5) in postavitev z majhnim popačenjem (slika 6). Popačenje, ki ga povzroči štirikolesni operacijski ojačevalnik FHP3450 s polprevodnikom fairchild, je prikazano v tabeli 1. Tipična pasovna širina FHP3450 je 210 MHz, naklon 1100V/us, vhodni tok pristranskosti 100nA in obratovalni tok na kanal 3.6 mA Kot je razvidno iz tabele 1, bolj ko je kanal popačen, boljša je izboljšava, tako da so ti štirje kanali po zmogljivostih skoraj enaki.

Kako zmanjšati harmonično popačenje pri oblikovanju tiskanih vezij

Brez idealnega štirikratnega ojačevalnika na tiskanem vezju je merjenje učinkov enega samega ojačevalnega kanala lahko težavno. Očitno je, da dani ojačevalni kanal moti ne samo svoj vhod, ampak tudi vhod drugih kanalov. Zemeljski tok teče skozi vse različne vhode kanalov in proizvaja različne učinke, vendar nanj vpliva vsak izhod, ki je merljiv.

V tabeli 2 so prikazani harmoniki, izmerjeni na drugih neoviranih kanalih, ko je v pogonu samo en kanal. Nedefiniran kanal prikazuje majhen signal (preslušanje) pri osnovni frekvenci, hkrati pa proizvaja popačenje, ki ga neposredno vnese tok ozemljitve, če ni pomembnega temeljnega signala. Postavitev nizkega popačenja na sliki 6 kaže, da sta značilnosti drugega harmoniškega in celotnega harmoničnega popačenja (THD) močno izboljšana zaradi skoraj odprave učinka toka na zemljo.

Kako zmanjšati harmonično popačenje pri oblikovanju tiskanih vezij

Povzetek tega članka

Preprosto povedano, na tiskanem vezju tok povratnega toka teče skozi različne obvodne kondenzatorje (za različne napajalnike) in samo napajanje, kar je sorazmerno z njegovo prevodnostjo. Visokofrekvenčni signalni tok teče nazaj v mali obvodni kondenzator. Nizkofrekvenčni tokovi, kot so zvočni signali, lahko tečejo predvsem skozi večje obvodne kondenzatorje. Tudi tok z nižjo frekvenco lahko “zanemari” celotno kapaciteto obvoda in teče neposredno nazaj v napajalni kabel. Posebna aplikacija bo določila, katera trenutna pot je najbolj kritična. Na srečo je enostavno zaščititi celotno pot ozemljitvenega toka z uporabo skupne ozemljitvene točke in ozemljitvenega obvodnega kondenzatorja na izhodni strani.

Zlato pravilo za postavitev VF PCB je, da je VF obvodni kondenzator čim bližje pakiranemu napajalnemu vtiču, vendar primerjava slik 5 in 6 kaže, da spreminjanje tega pravila za izboljšanje značilnosti popačenja nima velike razlike. Izboljšane značilnosti popačenja so nastale na račun dodajanja približno 0.15 palca visokofrekvenčnega ožičenja obvodnega kondenzatorja, vendar je to imelo majhen vpliv na delovanje odziva AC pri FHP3450. Postavitev tiskanega vezja je pomembna za čim večjo zmogljivost visokokakovostnega ojačevalnika, vprašanja, ki jih obravnavamo tukaj, niso omejena na visokofrekvenčne ojačevalnike. Nizkofrekvenčni signali, kot je zvok, zahtevajo veliko strožje popačenje. Učinek toka na zemljo je pri nizkih frekvencah manjši, vendar je lahko še vedno pomembna težava, če se ustrezni indeks popačenja ustrezno izboljša.