Aslında, baskılı devre kartı (PCB) elektriksel lineer malzemelerden yapılmıştır, yani empedansları sabit olmalıdır. Öyleyse neden bir PCB, bir sinyale doğrusal olmayanlık getiriyor? Cevap, PCB düzeninin, akımın aktığı yere göre “uzaysal olarak doğrusal olmayan” olmasıdır.

Amplifikatörün bir kaynaktan veya diğerinden akım alıp almaması, yük üzerindeki sinyalin anlık polaritesine bağlıdır. Akım, güç kaynağından, baypas kondansatöründen, amplifikatörden yüke akar. Akım daha sonra yük topraklama terminalinden (veya PCB çıkış konektörünün korumasından) baypas kondansatörü aracılığıyla toprak düzlemine geri döner ve akımı orijinal olarak besleyen kaynağa geri döner.

Empedans boyunca minimum akım yolu kavramı yanlıştır. Tüm farklı empedans yollarındaki akım miktarı, iletkenliği ile orantılıdır. Bir toprak düzleminde, içinden büyük miktarda toprak akımının geçtiği, genellikle birden fazla düşük empedanslı yol vardır: bir yol doğrudan baypas kondansatörüne bağlıdır; Diğeri, baypas kondansatörüne ulaşılana kadar giriş direncini uyarır. Şekil 1 bu iki yolu göstermektedir. Geri akış akımı, soruna gerçekten neden olan şeydir.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Baypas kapasitörleri PCB üzerinde farklı konumlara yerleştirildiğinde, toprak akımı farklı yollardan ilgili baypas kapasitörlerine akar, bu da “uzaysal doğrusal olmama” anlamına gelir. Toprak akımının kutupsal bileşeninin önemli bir kısmı giriş devresinin topraklamasından geçerse, sinyalin yalnızca kutupsal bileşeni bozulur. Toprak akımının diğer polaritesi bozulmazsa, giriş sinyali voltajı doğrusal olmayan bir şekilde değişir. Bir polarite bileşeni değiştirildiğinde, diğer polarite değişmediğinde, bozulma meydana gelir ve çıkış sinyalinin ikinci harmonik bozulması olarak kendini gösterir. Şekil 2, bu distorsiyon etkisini abartılı biçimde göstermektedir.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Sinüs dalgasının yalnızca bir polar bileşeni bozulduğunda, ortaya çıkan dalga biçimi artık bir sinüs dalgası değildir. 100-ω yüke sahip ideal bir yükselticiyi simüle etmek ve yük akımını 1-ω’lik bir direnç üzerinden sinyalin sadece bir polaritesi üzerindeki toprak voltajına bağlamak, şekil 3 ile sonuçlanır.Fourier dönüşümü, bozulma dalga biçiminin -68 DBC’de neredeyse tüm ikinci harmonikler olduğunu gösterir. Yüksek frekanslarda, bu bağlantı seviyesi bir PCB üzerinde kolaylıkla oluşturulabilir ve bu, bir PCB’nin özel doğrusal olmayan etkilerinin çoğuna başvurmadan bir amplifikatörün mükemmel bozulma önleme özelliklerini yok edebilir. Tek bir operasyonel amplifikatörün çıkışı, toprak akımı yolu nedeniyle bozulduğunda, toprak akımı akışı, baypas döngüsünü yeniden düzenleyerek ve Şekil 4’te gösterildiği gibi giriş cihazından olan mesafeyi koruyarak ayarlanabilir.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Çoklu amplifikatör çipi

Çoklu amplifikatör yongaları (iki, üç veya dört amplifikatör) sorunu, baypas kapasitörünün toprak bağlantısının tüm girişten uzak tutulamamasıyla birleşir. Bu özellikle dört amplifikatör için geçerlidir. Dörtlü amplifikatör çiplerinin her iki tarafında giriş terminalleri vardır, bu nedenle giriş kanalındaki rahatsızlığı azaltan baypas devreleri için yer yoktur.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Şekil 5, dört amplifikatör düzenine basit bir yaklaşımı göstermektedir. Çoğu cihaz doğrudan dörtlü bir amplifikatör pimine bağlanır. Bir güç kaynağının toprak akımı, diğer kanal güç kaynağının giriş toprak voltajını ve toprak akımını bozarak bozulmaya neden olabilir. Örneğin, dörtlü amplifikatörün 1. kanalındaki (+Vs) baypas kapasitörü, girişinin hemen yanına yerleştirilebilir; (-Vs) baypas kondansatörü paketin diğer tarafına yerleştirilebilir. (+Vs) toprak akımı kanal 1’i bozabilirken (-vs) toprak akımı rahatsız etmeyebilir.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Bu sorunu önlemek için, toprak akımının girişi bozmasına izin verin, ancak PCB akımının uzamsal olarak doğrusal bir şekilde akmasına izin verin. Bunu başarmak için, baypas kondansatörü PCB üzerinde (+Vs) ve (–Vs) toprak akımları aynı yoldan akacak şekilde düzenlenebilir. Giriş sinyali pozitif ve negatif akımlar tarafından eşit olarak bozulursa bozulma meydana gelmez. Bu nedenle, iki baypas kapasitörünü bir toprak noktasını paylaşacak şekilde yan yana hizalayın. Toprak akımının iki kutuplu bileşeni aynı noktadan (çıkış konektörü koruması veya yük toprağı) geldiğinden ve her ikisi de aynı noktaya geri aktığından (baypas kapasitörünün ortak toprak bağlantısı), pozitif/negatif akım üzerinden akar. aynı yol. Bir kanalın giriş direnci (+Vs) akımı tarafından bozulursa, (–Vs) akımı da aynı etkiye sahiptir. Ortaya çıkan bozulma, polariteden bağımsız olarak aynı olduğu için bozulma olmaz, ancak Şekil 6’da gösterildiği gibi kanalın kazancında küçük bir değişiklik meydana gelecektir.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Yukarıdaki çıkarımı doğrulamak için iki farklı PCB düzeni kullanıldı: basit bir düzen (Şekil 5) ve düşük bozulma düzeni (Şekil 6). Fairchild yarı iletken kullanan FHP3450 dört işlemli amplifikatör tarafından üretilen bozulma tablo 1’de gösterilmektedir. mA. Tablo 1’den görülebileceği gibi, kanal ne kadar bozuk olursa, iyileştirme o kadar iyi olur, böylece dört kanal performans açısından neredeyse eşit olur.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Bir PCB üzerinde ideal bir dörtlü amplifikatör olmadan, tek bir amplifikatör kanalının etkilerini ölçmek zor olabilir. Açıkçası, belirli bir amplifikatör kanalı sadece kendi girişini değil, diğer kanalların girişini de bozar. Toprak akımı, tüm farklı kanal girişlerinden akar ve farklı etkiler üretir, ancak ölçülebilir olan her çıkıştan etkilenir.

Tablo 2, yalnızca bir kanal çalıştırıldığında diğer sürülmemiş kanallarda ölçülen harmonikleri gösterir. Tahrik edilmeyen kanal, temel frekansta küçük bir sinyal (çapraz konuşma) görüntüler, ancak aynı zamanda herhangi bir önemli temel sinyalin yokluğunda toprak akımı tarafından doğrudan verilen bozulma üretir. Şekil 6’daki düşük bozulma düzeni, toprak akımı etkisinin neredeyse ortadan kaldırılması nedeniyle ikinci harmonik ve toplam harmonik bozulma (THD) özelliklerinin büyük ölçüde iyileştirildiğini göstermektedir.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Bu makale özeti

Basitçe, bir PCB üzerinde, geri akış akımı farklı baypas kapasitörlerinden (farklı güç kaynakları için) ve iletkenliği ile orantılı olan güç kaynağının kendisinden akar. Yüksek frekanslı sinyal akımı, küçük baypas kondansatörüne geri akar. Ses sinyalleri gibi düşük frekanslı akımlar, öncelikle daha büyük baypas kapasitörlerinden akabilir. Daha düşük bir frekans akımı bile tam baypas kapasitansını “göz ardı edebilir” ve doğrudan güç kablosuna geri akabilir. Özel uygulama, hangi mevcut yolun en kritik olduğunu belirleyecektir. Neyse ki, çıkış tarafında ortak bir toprak noktası ve bir toprak baypas kapasitörü kullanarak tüm toprak akımı yolunu korumak kolaydır.

HF PCB yerleşimi için altın kural, HF bypass kapasitörünü paketlenmiş güç pimine mümkün olduğunca yakın tutmaktır, ancak Şekil 5 ve Şekil 6’nın karşılaştırılması, bu kuralı bozulma özelliklerini iyileştirmek için değiştirmenin pek bir fark yaratmadığını göstermektedir. Geliştirilmiş bozulma özellikleri, yaklaşık 0.15 inç yüksek frekanslı baypas kapasitör kablolaması ekleme pahasına geldi, ancak bunun FHP3450’nin AC yanıt performansı üzerinde çok az etkisi oldu. PCB düzeni, yüksek kaliteli bir amplifikatörün performansını en üst düzeye çıkarmak için önemlidir ve burada tartışılan konular, hf amplifikatörlerle sınırlı değildir. Ses gibi daha düşük frekanslı sinyallerin çok daha katı bozulma gereksinimleri vardır. Düşük frekanslarda toprak akımı etkisi daha küçüktür, ancak gerekli bozulma indeksi buna göre iyileştirilirse yine de önemli bir sorun olabilir.