I själva verket, kretskort (PCB) är tillverkade av elektriska linjära material, dvs deras impedans bör vara konstant. 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. Ström flyter från strömförsörjningen, genom förbikopplingskondensatorn, genom förstärkaren in i lasten. Strömmen går sedan från lastjordterminalen (eller avskärmningen av kretskortets utgångskontakt) tillbaka till jordplanet, genom förbikopplingskondensatorn och tillbaka till källan som ursprungligen gav strömmen.

Begreppet minimiström för ström genom impedans är felaktigt. Mängden ström i alla olika impedansvägar är proportionell mot dess konduktivitet. I ett jordplan finns det ofta mer än en lågimpedansväg genom vilken en stor andel jordström strömmar: en väg är direkt ansluten till förbikopplingskondensatorn; Den andra exciterar ingångsmotståndet tills bypass -kondensatorn nås. Figur 1 illustrerar dessa två vägar. Återflödesströmmen är det som verkligen orsakar problemet.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

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. Om den andra polariteten hos jordströmmen inte störs, ändras insignalspänningen på ett olinjärt sätt. 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.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

När endast en polär komponent i sinusvågen störs är den resulterande vågformen inte längre en sinusvåg. 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. Vid höga frekvenser genereras denna kopplingsnivå lätt på ett kretskort, vilket kan förstöra de utmärkta anti-distorsionsegenskaperna hos en förstärkare utan att ta till mycket av de speciella olinjära effekterna av ett kretskort. När utsignalen från en enda operationsförstärkare förvrängs på grund av markströmningsbanan, kan jordströmflödet justeras genom att omarrangera bypass -slingan och behålla avståndet från ingångsenheten, som visas i figur 4.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Multiförstärkare -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.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

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.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

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. Om insignalen störs lika mycket av positiva som negativa strömmar sker ingen distorsion. 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. Eftersom den resulterande störningen är densamma oberoende av polariteten, finns det ingen distorsion, men en liten förändring i kanalens förstärkning kommer att inträffa, som visas i figur 6.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

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. Som framgår av tabell 1, ju mer förvrängd kanalen, desto bättre förbättring, så att de fyra kanalerna är nästan lika i prestanda.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Utan en idealisk fyrförstärkare på ett kretskort kan det vara svårt att mäta effekterna av en enda förstärkarkanal. Uppenbarligen stör en given förstärkarkanal inte bara sin egen ingång utan även ingången från andra kanaler. Jordströmmen flyter genom alla olika kanalingångar och ger olika effekter, men påverkas av varje utgång, vilket är mätbart.

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.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Denna artikel sammanfattning

Enkelt uttryckt, på ett kretskort, strömmar återflödesströmmen genom olika förbikopplingskondensatorer (för olika strömförsörjningar) och själva strömförsörjningen, vilket är proportionellt mot dess konduktivitet. 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. Lyckligtvis är det enkelt att skydda hela markströmningsbanan med hjälp av en gemensam markpunkt och en jordomkopplingskondensator på utgångssidan.

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.