У ствари, штампаних плоча (ПЦБ) су направљене од електричних линеарних материјала, односно њихова импеданција треба да буде константна. Па зашто ПЦБ уводи нелинеарност у сигнал? Одговор је да је распоред ПЦБ-а „просторно нелинеаран“ у односу на то где струја протиче.

Да ли појачало прима струју из једног или другог извора зависи од тренутног поларитета сигнала на оптерећењу. Струја тече из напајања, преко заобилазног кондензатора, кроз појачало у оптерећење. Струја тада путује од прикључка уземљења оптерећења (или оклопа излазног конектора ПЦБ -а) назад у равнину уземљења, преко премосног кондензатора и назад до извора који је изворно напајао струју.

Концепт минималног пута струје кроз импеданцију је нетачан. Количина струје на свим различитим путањама импедансе пропорционална је њеној проводљивости. У равнини уземљења често постоји више од једне ниске импедансе пута кроз који протиче велики део струје уземљења: једна стаза је директно повезана са обилазним кондензатором; Други побуђује улазни отпорник све док се не дође до заобилазног кондензатора. Слика 1 илуструје ова два пута. Струја повратног тока је оно што заиста узрокује проблем.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Када се заобилазни кондензатори поставе на различите положаје на ПЦБ -у, струја уземљења протиче различитим путевима до одговарајућих заобилазних кондензатора, што је значење „просторне нелинеарности“. Ако значајан део поларне компоненте струје уземљења протиче кроз масу улазног кола, само та поларна компонента сигнала је поремећена. Ако се не поремети други поларитет струје уземљења, напон улазног сигнала се мења на нелинеаран начин. Када се једна компонента поларитета промени, а друга није, долази до изобличења и манифестује се као друго хармоничко изобличење излазног сигнала. Слика 2 приказује овај ефекат изобличења у претјераном облику.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Када је поремећена само једна поларна компонента синусног таласа, резултујући таласни облик више није синусни талас. Симулација идеалног појачала са оптерећењем од 100 ω и повезивање струје оптерећења кроз отпорник од 1 ω у напон уземљења на само једном поларитету сигнала резултира сликом 3.Фоуриерова трансформација показује да је таласни облик изобличења готово сви други хармоници на -68 ДБЦ. На високим фреквенцијама, овај ниво спрега се лако генерише на ПЦБ-у, што може уништити одличне карактеристике против изобличења појачала без прибегавања већини посебних нелинеарних ефеката ПЦБ-а. Када је излаз једног оперативног појачала изобличен због путање уземљења, проток уземљења може се подесити преуређивањем обилазне петље и одржавањем удаљености од улазног уређаја, као што је приказано на слици 4.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Чип са више појачала

Проблем чипова с више појачала (два, три или четири појачала) додатно је отежан немогућношћу да се веза уземљења заобилазног кондензатора задржи далеко од цијелог улаза. Ово посебно важи за четири појачала. Чипови са четири појачала имају улазне терминале са сваке стране, тако да нема места за заобилазна кола која умањују сметње на улазном каналу.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Слика 5 приказује једноставан приступ распореду са четири појачала. Већина уређаја се повезује директно на пин четворо појачала. Струја уземљења једног извора напајања може пореметити улазни напон уземљења и струју уземљења напајања другог канала, што може довести до изобличења. На пример, (+Вс) заобилазни кондензатор на каналу 1 четвороструког појачала може се поставити непосредно поред његовог улаза; Заобилазни кондензатор (-Вс) може се поставити на другу страну паковања. Струја уземљења (+Вс) може ометати канал 1, док струја уземљења (-вс) не мора.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Да бисте избегли овај проблем, дозволите да струја уземљења узнемири улаз, али нека струја ПЦБ -а тече просторно линеарно. Да би се то постигло, заобилазни кондензатор може бити распоређен на ПЦБ -у тако да (+Вс) и ( – Вс) струје уземљења теку истим путем. Ако улазни сигнал подједнако ометају позитивна и негативна струја, неће доћи до изобличења. Због тога поравнајте два заобилазна кондензатора један поред другог тако да деле тачку уземљења. Пошто две поларне компоненте струје уземљења долазе из исте тачке (штитник излазног конектора или маса оптерећења) и обе теку натраг у исту тачку (заједничко уземљење везе заобилазног кондензатора), позитивна/негативна струја протиче кроз истим путем. Ако је улазни отпор канала поремећен (+Вс) струјом, ( – Вс) струја има исти ефекат на њу. Пошто је резултујући поремећај исти без обзира на поларитет, нема изобличења, али ће се догодити мала промена у појачању канала, као што је приказано на слици 6.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Да би се потврдио горњи закључак, коришћена су два различита распореда ПЦБ-а: једноставан распоред (слика 5) и изглед са малим изобличењем (слика 6). Изобличење које производи четворооперативно појачало ФХП3450 помоћу фаирцхилд полупроводника приказано је у табели 1. Типична пропусна моћ ФХП3450 је 210МХз, нагиб је 1100В/ус, улазна струја преднапона је 100нА, а радна струја по каналу је 3.6 мА. Као што се може видети из табеле 1, што је канал више изобличен, то је побољшање боље, тако да су четири канала скоро једнаких перформанси.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Без идеалног четворо појачала на штампаној плочи, мерење ефеката једног канала појачала може бити тешко. Очигледно, дати канал појачала омета не само сопствени улаз, већ и улаз других канала. Струја земље пролази кроз све улазе различитих канала и производи различите ефекте, али на њу утиче сваки излаз, који је мерљив.

Табела 2 приказује хармонике измерене на другим неукрћеним каналима када се покреће само један канал. Недефинисани канал приказује мали сигнал (преслушавање) на основној фреквенцији, али такође производи изобличења директно унета струјом уземљења у одсуству било каквог значајног фундаменталног сигнала. Распоред са малим изобличењем на слици 6 показује да су карактеристике другог хармоника и тоталне хармоничне дисторзије (ТХД) значајно побољшане због скоро елиминисања ефекта уземљења.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Резиме овог чланка

Једноставно речено, на ПЦБ -у струја повратног тока протиче кроз различите заобилазне кондензаторе (за различита напајања) и само напајање, што је пропорционално његовој проводљивости. Струја високофреквентног сигнала тече назад до кондензатора мале премоснице. Струје ниске фреквенције, попут оних аудио сигнала, могу пролазити првенствено кроз веће заобилазне кондензаторе. Чак и струја ниже фреквенције може „занемарити“ пуни капацитет премоснице и тећи директно назад до кабла за напајање. Одређена апликација ће одредити који је тренутни пут најкритичнији. На срећу, лако је заштитити читаву путању струје уземљења употребом заједничке тачке уземљења и кондензатора заобилазног уземљења на излазној страни.

Златно правило за распоред ВФ ПЦБ -а је држање ВФ премосног кондензатора што је могуће ближе упакованом прикључку за напајање, али поређење слика 5 и 6 показује да измена овог правила ради побољшања карактеристика изобличења нема велике разлике. Побољшане карактеристике изобличења настале су на рачун додавања око 0.15 инча високофреквентног заобилазног ожичења кондензатора, али то је имало мали утицај на перформансе одзива наизменичне струје ФХП3450. Распоред ПЦБ-а је важан за максимизирање перформанси висококвалитетног појачала, а питања о којима се овде говори нису ограничена само на ВФ појачала. Сигнали ниже фреквенције, попут звука, имају много строже захтеве за изобличењем. Учинак струје уземљења је мањи на ниским фреквенцијама, али може и даље представљати велики проблем ако се одговарајући индекс изобличења на одговарајући начин побољша.