ในความเป็นจริง คณะกรรมการวงจรพิมพ์ (PCB) ทำจากวัสดุเชิงเส้นตรง เช่น อิมพีแดนซ์ควรเป็นค่าคงที่ เหตุใด PCB จึงแนะนำความไม่เป็นเชิงเส้นในสัญญาณ คำตอบคือเลย์เอาต์ PCB นั้น “ไม่เชิงพื้นที่” สัมพันธ์กับตำแหน่งที่กระแสไหล

แอมพลิฟายเออร์จะรับกระแสจากแหล่งใดแหล่งหนึ่งหรือไม่นั้นขึ้นอยู่กับขั้วของสัญญาณบนโหลดทันที กระแสไหลจากแหล่งจ่ายไฟ ผ่านตัวเก็บประจุบายพาส ผ่านแอมพลิฟายเออร์เข้าสู่โหลด จากนั้นกระแสจะเดินทางจากขั้วโหลดกราวด์ (หรือส่วนป้องกันของขั้วต่อเอาต์พุต PCB) กลับไปที่ระนาบกราวด์ ผ่านตัวเก็บประจุบายพาส และกลับไปยังแหล่งจ่ายกระแสไฟเดิม

แนวคิดของเส้นทางต่ำสุดของกระแสผ่านอิมพีแดนซ์ไม่ถูกต้อง ปริมาณกระแสในเส้นทางอิมพีแดนซ์ที่ต่างกันทั้งหมดเป็นสัดส่วนกับค่าการนำไฟฟ้า ในระนาบกราวด์ มักจะมีเส้นทางอิมพีแดนซ์ต่ำมากกว่าหนึ่งเส้นทางซึ่งมีกระแสกราวด์ไหลผ่านเป็นสัดส่วนมาก: เส้นทางหนึ่งเชื่อมต่อโดยตรงกับตัวเก็บประจุบายพาส อีกอันกระตุ้นตัวต้านทานอินพุตจนกว่าจะถึงตัวเก็บประจุบายพาส รูปที่ 1 แสดงทั้งสองเส้นทาง กระแสย้อนกลับคือสิ่งที่ทำให้เกิดปัญหาจริงๆ

วิธีลดการบิดเบือนฮาร์มอนิกในการออกแบบ PCB

เมื่อวางตัวเก็บประจุบายพาสไว้ที่ตำแหน่งต่างๆ บน PCB กระแสกราวด์จะไหลผ่านเส้นทางต่างๆ ไปยังตัวเก็บประจุบายพาสตามลำดับ ซึ่งเป็นความหมายของ “ความไม่เชิงเส้นเชิงพื้นที่” หากส่วนสำคัญขององค์ประกอบขั้วของกระแสกราวด์ไหลผ่านกราวด์ของวงจรอินพุต เฉพาะส่วนประกอบขั้วของสัญญาณเท่านั้นที่ถูกรบกวน ถ้ากระแสกราวด์อีกขั้วหนึ่งไม่ถูกรบกวน แรงดันสัญญาณอินพุตจะเปลี่ยนในลักษณะที่ไม่เป็นเชิงเส้น เมื่อองค์ประกอบขั้วหนึ่งเปลี่ยนแปลงแต่อีกขั้วหนึ่งไม่เปลี่ยน การบิดเบือนจะเกิดขึ้นและปรากฏเป็นความเพี้ยนฮาร์มอนิกที่สองของสัญญาณเอาท์พุต รูปที่ 2 แสดงผลการบิดเบือนนี้ในรูปแบบที่เกินจริง

วิธีลดการบิดเบือนฮาร์มอนิกในการออกแบบ PCB

เมื่อองค์ประกอบขั้วเดียวของคลื่นไซน์ถูกรบกวน รูปคลื่นที่ได้จะไม่เป็นคลื่นไซน์อีกต่อไป การจำลองแอมพลิฟายเออร์ในอุดมคติที่มีโหลด 100-ω และจับคู่กระแสโหลดผ่านตัวต้านทาน 1-ω เข้ากับแรงดันกราวด์บนขั้วเดียวของสัญญาณ ผลลัพธ์ที่ได้คือ รูปที่ 3การแปลงฟูริเยร์แสดงให้เห็นว่ารูปคลื่นบิดเบือนเป็นฮาร์โมนิกที่สองเกือบทั้งหมดที่ -68 DBC ที่ความถี่สูง การมีเพศสัมพันธ์ในระดับนี้จะถูกสร้างขึ้นอย่างง่ายดายบน PCB ซึ่งสามารถทำลายคุณสมบัติป้องกันการบิดเบือนที่ยอดเยี่ยมของแอมพลิฟายเออร์โดยไม่ต้องใช้เอฟเฟกต์พิเศษที่ไม่เป็นเชิงเส้นจำนวนมากของ PCB เมื่อเอาท์พุตของแอมพลิฟายเออร์สำหรับปฏิบัติการตัวเดียวผิดเพี้ยนเนื่องจากเส้นทางของกระแสกราวด์ การไหลของกระแสกราวด์สามารถปรับได้โดยการจัดเรียงลูปบายพาสใหม่และรักษาระยะห่างจากอุปกรณ์อินพุต ดังแสดงในรูปที่ 4

วิธีลดการบิดเบือนฮาร์มอนิกในการออกแบบ PCB

ชิปมัลติแอมป์

ปัญหาของชิปหลายแอมพลิฟายเออร์ (สอง สาม หรือสี่แอมพลิฟายเออร์) เกิดจากการไม่สามารถรักษาการเชื่อมต่อกราวด์ของตัวเก็บประจุบายพาสให้ห่างไกลจากอินพุตทั้งหมด โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับแอมพลิฟายเออร์สี่ตัว ชิปควอดแอมพลิฟายเออร์มีขั้วอินพุตที่แต่ละด้าน ดังนั้นจึงไม่มีที่ว่างสำหรับวงจรบายพาสที่ลดการรบกวนของช่องสัญญาณอินพุต

วิธีลดการบิดเบือนฮาร์มอนิกในการออกแบบ PCB

รูปที่ 5 แสดงวิธีการง่ายๆ ในการจัดวางเครื่องขยายสัญญาณสี่เครื่อง อุปกรณ์ส่วนใหญ่เชื่อมต่อโดยตรงกับพินแอมพลิฟายเออร์รูปสี่เหลี่ยม กระแสกราวด์ของแหล่งจ่ายไฟหนึ่งสามารถรบกวนแรงดันกราวด์อินพุตและกระแสกราวด์ของแหล่งจ่ายไฟอีกช่องหนึ่ง ส่งผลให้เกิดการบิดเบือน ตัวอย่างเช่น ตัวเก็บประจุบายพาส (+Vs) บนแชนเนล 1 ของแอมพลิฟายเออร์ควอดสามารถวางติดกับอินพุตได้โดยตรง ตัวเก็บประจุบายพาส (-Vs) สามารถวางไว้ที่อีกด้านหนึ่งของบรรจุภัณฑ์ได้ กระแสกราวด์ (+Vs) สามารถรบกวนช่อง 1 ในขณะที่กระแสกราวด์ (-vs) อาจไม่

วิธีลดการบิดเบือนฮาร์มอนิกในการออกแบบ PCB

เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหานี้ ให้กระแสกราวด์รบกวนอินพุต แต่ให้กระแส PCB ไหลในลักษณะเชิงเส้นเชิงพื้นที่ เพื่อให้บรรลุสิ่งนี้ ตัวเก็บประจุบายพาสสามารถจัดเรียงบน PCB ในลักษณะที่กระแสกราวด์ (+Vs) และ (–Vs) ไหลผ่านเส้นทางเดียวกัน หากกระแสบวกและลบรบกวนสัญญาณอินพุตเท่ากัน ความผิดเพี้ยนจะไม่เกิดขึ้น ดังนั้นให้จัดตำแหน่งตัวเก็บประจุบายพาสสองตัวที่อยู่ติดกันเพื่อให้มีจุดกราวด์ร่วมกัน เนื่องจากส่วนประกอบขั้วทั้งสองของกระแสโลกมาจากจุดเดียวกัน (ตัวป้องกันขั้วต่อเอาต์พุตหรือพื้นโหลด) และทั้งสองไหลกลับไปยังจุดเดียวกัน (การเชื่อมต่อกราวด์ทั่วไปของตัวเก็บประจุบายพาส) กระแสบวก/ลบจะไหลผ่าน เส้นทางเดียวกัน หากความต้านทานอินพุตของช่องสัญญาณถูกรบกวนโดยกระแส (+Vs) กระแส (– Vs) จะมีผลเช่นเดียวกัน เนื่องจากการรบกวนที่เกิดขึ้นจะเหมือนกันโดยไม่คำนึงถึงขั้ว ไม่มีการบิดเบือน แต่เกนของช่องสัญญาณจะเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย ดังแสดงในรูปที่ 6

วิธีลดการบิดเบือนฮาร์มอนิกในการออกแบบ PCB

ในการตรวจสอบการอนุมานข้างต้น มีการใช้เลย์เอาต์ PCB สองแบบ: เลย์เอาต์แบบธรรมดา (รูปที่ 5) และเลย์เอาต์ที่มีการบิดเบือนต่ำ (รูปที่ 6) การบิดเบือนที่เกิดจากแอมพลิฟายเออร์แบบสี่ขั้นตอนของ FHP3450 โดยใช้เซมิคอนดักเตอร์ของแฟร์ไชลด์แสดงในตารางที่ 1 แบนด์วิดท์ทั่วไปของ FHP3450 คือ 210MHz ความชันคือ 1100V/us กระแสไบแอสอินพุตคือ 100nA และกระแสไฟที่ใช้งานต่อช่องสัญญาณคือ 3.6 ม. ดังจะเห็นได้จากตารางที่ 1 ยิ่งช่องสัญญาณบิดเบี้ยวมากเท่าใด การปรับปรุงก็จะยิ่งดีขึ้น เพื่อให้ทั้งสี่ช่องมีประสิทธิภาพใกล้เคียงกัน

วิธีลดการบิดเบือนฮาร์มอนิกในการออกแบบ PCB

หากไม่มีแอมพลิฟายเออร์ควอดที่เหมาะสมบน PCB การวัดผลกระทบของแชนเนลแอมพลิฟายเออร์เดี่ยวอาจเป็นเรื่องยาก เห็นได้ชัดว่าช่องสัญญาณแอมพลิฟายเออร์ที่กำหนดไม่เพียงแต่รบกวนอินพุตของตัวเองเท่านั้น แต่ยังรวมถึงอินพุตของช่องสัญญาณอื่นๆ ด้วย กระแสโลกไหลผ่านอินพุตช่องสัญญาณต่างๆ ทั้งหมดและสร้างเอฟเฟกต์ที่แตกต่างกัน แต่ได้รับอิทธิพลจากเอาต์พุตแต่ละรายการซึ่งสามารถวัดได้

ตารางที่ 2 แสดงฮาร์โมนิกที่วัดบนแชนเนลที่ไม่ได้ขับเคลื่อนอื่น ๆ เมื่อมีการขับเคลื่อนแชนเนลเดียวเท่านั้น ช่องสัญญาณที่ไม่มีการขับเคลื่อนจะแสดงสัญญาณขนาดเล็ก (ครอสทอล์ค) ที่ความถี่พื้นฐาน แต่ยังก่อให้เกิดการบิดเบือนโดยตรงจากกระแสกราวด์ในกรณีที่ไม่มีสัญญาณพื้นฐานที่สำคัญใดๆ เลย์เอาต์การบิดเบือนต่ำในรูปที่ 6 แสดงให้เห็นว่าลักษณะการบิดเบือนฮาร์มอนิกที่สองและการบิดเบือนฮาร์มอนิกทั้งหมด (THD) ที่สองได้รับการปรับปรุงอย่างมากเนื่องจากใกล้กำจัดเอฟเฟกต์ปัจจุบันของพื้นดิน

วิธีลดการบิดเบือนฮาร์มอนิกในการออกแบบ PCB

สรุปบทความนี้

เพียงแค่ใส่บน PCB กระแสย้อนกลับจะไหลผ่านตัวเก็บประจุบายพาสที่แตกต่างกัน (สำหรับแหล่งจ่ายไฟที่แตกต่างกัน) และตัวจ่ายไฟเอง ซึ่งเป็นสัดส่วนกับค่าการนำไฟฟ้า กระแสสัญญาณความถี่สูงไหลกลับไปยังตัวเก็บประจุบายพาสขนาดเล็ก กระแสความถี่ต่ำ เช่น กระแสของสัญญาณเสียง อาจไหลผ่านตัวเก็บประจุบายพาสที่ใหญ่กว่าเป็นหลัก แม้แต่กระแสความถี่ที่ต่ำกว่าก็อาจ “ละเลย” ความจุบายพาสเต็มและไหลกลับไปยังตัวนำไฟฟ้าโดยตรง แอปพลิเคชันเฉพาะจะกำหนดเส้นทางปัจจุบันที่สำคัญที่สุด โชคดีที่การป้องกันเส้นทางปัจจุบันของกราวด์ทั้งหมดเป็นเรื่องง่ายโดยใช้จุดกราวด์ทั่วไปและตัวเก็บประจุบายพาสกราวด์ที่ด้านเอาต์พุต

กฎทองสำหรับเลย์เอาต์ HF PCB คือการรักษาตัวเก็บประจุบายพาส HF ให้ใกล้กับพินจ่ายไฟที่บรรจุไว้มากที่สุด แต่การเปรียบเทียบรูปที่ 5 และรูปที่ 6 แสดงให้เห็นว่าการปรับเปลี่ยนกฎนี้เพื่อปรับปรุงลักษณะการบิดเบือนไม่ได้สร้างความแตกต่างมากนัก ลักษณะการบิดเบือนที่ได้รับการปรับปรุงนั้นมาจากการเพิ่มการเดินสายตัวเก็บประจุบายพาสความถี่สูงประมาณ 0.15 นิ้ว แต่สิ่งนี้มีผลกระทบเพียงเล็กน้อยต่อประสิทธิภาพการตอบสนอง AC ของ FHP3450 เลย์เอาต์ PCB มีความสำคัญในการเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดของแอมพลิฟายเออร์คุณภาพสูง และปัญหาที่กล่าวถึงในที่นี้ไม่ได้จำกัดเฉพาะแอมพลิฟายเออร์ hf สัญญาณความถี่ต่ำเช่นเสียงมีข้อกำหนดการบิดเบือนที่เข้มงวดกว่ามาก ผลกระทบของกระแสกราวด์มีขนาดเล็กลงที่ความถี่ต่ำ แต่อาจยังคงเป็นปัญหาสำคัญหากดัชนีการบิดเบือนที่ต้องการได้รับการปรับปรุงให้สอดคล้องกัน