I själva verket, kretskort (PCB) are made of electrical linear materials, i.e. their impedance should be constant. Så varför introducerar ett kretskort icke -linearitet i en signal? Svaret är att PCB-layouten är “spatialt olinjär” i förhållande till var strömmen flödar.

Om förstärkaren tar emot ström från en eller annan källa beror på den momentana polariteten hos signalen på belastningen. 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; Den andra exciterar ingångsmotståndet tills bypass -kondensatorn nås. Figur 1 illustrerar dessa två vägar. The backflow current is what’s really causing the problem.

skicka

När förbikopplingskondensatorerna placeras på olika positioner på kretskortet, strömmar jordströmmen genom olika vägar till respektive förbikopplingskondensatorer, vilket är meningen med “spatial olinearitet”. Om en betydande del av en polär komponent i jordströmmen strömmar genom ingångskretsens mark, störs endast den polära komponenten i signalen. If the other polarity of the ground current is not disturbed, the input signal voltage changes in a nonlinear manner. När en polaritetskomponent ändras men den andra polariteten inte, inträffar distorsion och manifesteras som den andra harmoniska distorsionen av utsignalen. Figur 2 visar denna förvrängningseffekt i överdriven form.

skicka

When only one polar component of the sine wave is disturbed, the resulting waveform is no longer a sine wave. Simulering av en idealisk förstärkare med en 100-ω-belastning och koppling av lastströmmen genom ett 1-ω -motstånd till jordspänningen på endast en polaritet av signalen, resulterar i figur 3. Fouriertransform visar att distorsionsvågformen är nästan alla andra övertoner vid -68 DBC. At high frequencies, this level of coupling is easily generated on a PCB, which can destroy the excellent anti-distortion characteristics of an amplifier without resorting to much of the special nonlinear effects of a PCB. 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.

skicka

Multiamplifier chip

Problemet med flerförstärkarchips (två, tre eller fyra förstärkare) förvärras av oförmågan att hålla förbindningskondensatorns jordanslutning långt från hela ingången. Detta gäller särskilt för fyra förstärkare. Quad-förstärkarchips har ingångsterminaler på varje sida, så det finns inget utrymme för bypass-kretsar som minskar störningar i ingångskanalen.

skicka

Figur 5 visar ett enkelt tillvägagångssätt för en layout med fyra förstärkare. De flesta enheter ansluts direkt till en quad -förstärkare. Jordströmmen för en strömförsörjning kan störa ingångsjordspänningen och jordströmmen för den andra kanalens strömförsörjning, vilket kan leda till distorsion. Exempelvis kan (+Vs) bypass -kondensatorn på kanal 1 i quad -förstärkaren placeras direkt intill dess ingång; Omkopplingskondensatorn (-Vs) kan placeras på andra sidan av förpackningen. Jordströmmen (+Vs) kan störa kanal 1, medan (-vs) jordströmmen kanske inte gör det.

skicka

För att undvika detta problem, låt markströmmen störa ingången, men låt PCB -strömmen flöda på ett rumsligt linjärt sätt. För att uppnå detta kan förbikopplingskondensatorn anordnas på kretskortet så att markströmmarna (+Vs) och ( – Vs) flyter genom samma väg. If the input signal is equally disturbed by positive and negative currents, distortion will not occur. Rikta därför in de två förbikopplingskondensatorerna bredvid varandra så att de delar en markpunkt. Eftersom de två polära komponenterna i jordströmmen kommer från samma punkt (utgångskontaktens avskärmning eller belastningsjord) och båda flyter tillbaka till samma punkt (förbikopplingskondensatorns gemensamma jordanslutning), flyter den positiva/negativa strömmen igenom samma väg. Om ingångsmotståndet för en kanal störs av (+Vs) ström, har ( – Vs) ström samma effekt på den. 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.

skicka

För att verifiera ovanstående slutsatser användes två olika PCB-layouter: en enkel layout (figur 5) och en layout med låg distorsion (figur 6). Förvrängningen som produceras av FHP3450 fyrdriftsförstärkare med fairchild halvledare visas i tabell 1. Den typiska bandbredden för FHP3450 är 210MHz, lutningen är 1100V/us, ingångsspänningsströmmen är 100nA och driftströmmen per kanal är 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.

skicka

Without an ideal quad amplifier on a PCB, measuring the effects of a single amplifier channel can be difficult. Uppenbarligen stör en given förstärkarkanal inte bara sin egen ingång utan även ingången från andra kanaler. The earth current flows through all the different channel inputs and produces different effects, but is influenced by each output, which is measurable.

Tabell 2 visar de övertoner som mäts på andra odrivna kanaler när endast en kanal drivs. Den odrivna kanalen visar en liten signal (överhörning) vid grundfrekvensen, men producerar också distorsion som direkt införs av jordströmmen i avsaknad av någon signifikant grundläggande signal. Layouten med låg distorsion i figur 6 visar att de andra harmoniska och total harmoniska distorsionsegenskaperna (THD) förbättras kraftigt på grund av att markströmseffekten nästan elimineras.

skicka

Denna artikel sammanfattning

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. Högfrekvent signalström strömmar tillbaka till den lilla förbikopplingskondensatorn. Lågfrekventa strömmar, såsom ljudsignalernas, kan främst flöda genom större förbikopplingskondensatorer. Även en lägre frekvensström kan “bortse från” hela förbikopplingskapacitansen och flöda direkt tillbaka till strömkabeln. Den specifika applikationen avgör vilken strömväg som är mest kritisk. 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.

Den gyllene regeln för HF PCB -layout är att hålla HF -förbikopplingskondensatorn så nära den förpackade strömstiftet som möjligt, men en jämförelse av figur 5 och figur 6 visar att ändring av denna regel för att förbättra distorsionsegenskaper inte gör någon större skillnad. De förbättrade distorsionsegenskaperna kom på bekostnad av att lägga till cirka 0.15 tum högfrekventa förbikopplingskondensatorledningar, men detta hade liten inverkan på AC-responsprestandan för FHP3450. PCB-layout är viktigt för att maximera prestandan hos en högkvalitativ förstärkare, och de frågor som diskuteras här är inte begränsade till hf-förstärkare. Lägre frekvenssignaler som ljud har mycket strängare krav på distorsion. Jordströmseffekten är mindre vid låga frekvenser, men det kan fortfarande vara ett viktigt problem om det erforderliga distorsionsindexet förbättras i enlighet därmed.