Trong thực tế, bảng mạch in (PCB) được làm bằng vật liệu tuyến tính điện, tức là trở kháng của chúng phải không đổi. Vậy tại sao PCB lại đưa tính phi tuyến thành tín hiệu? Câu trả lời là cách bố trí PCB là “phi tuyến tính về mặt không gian” so với nơi dòng điện chạy qua.

Bộ khuếch đại có nhận được dòng điện từ nguồn này hay nguồn khác hay không phụ thuộc vào cực tính tức thời của tín hiệu trên tải. 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. Trong mặt phẳng nối đất, thường có nhiều hơn một đường dẫn trở kháng thấp mà một tỷ lệ lớn dòng điện chạy qua: một đường dẫn được nối trực tiếp với tụ điện rẽ nhánh; Loại kia kích thích điện trở đầu vào cho đến khi đạt tới tụ điện rẽ nhánh. Hình 1 minh họa hai đường dẫn này. The backflow current is what’s really causing the problem.

trình

Khi các tụ điện rẽ nhánh được đặt ở các vị trí khác nhau trên PCB, dòng điện mặt đất chạy qua các đường dẫn khác nhau đến các tụ điện rẽ nhánh tương ứng, đó là ý nghĩa của “tính phi tuyến tính theo không gian”. If a significant portion of a polar component of the ground current flows through the ground of the input circuit, only that polar component of the signal is disturbed. Nếu cực khác của dòng đất không bị xáo trộn, thì điện áp tín hiệu đầu vào sẽ thay đổi theo hướng phi tuyến. Khi một thành phần cực tính bị thay đổi nhưng cực tính khác thì không, sự biến dạng xảy ra và được biểu hiện dưới dạng méo hài thứ hai của tín hiệu đầu ra. Hình 2 cho thấy hiệu ứng biến dạng này ở dạng phóng đại.

trình

Khi chỉ một thành phần cực của sóng sin bị xáo trộn, dạng sóng thu được không còn là sóng hình sin nữa. Mô phỏng một bộ khuếch đại lý tưởng có tải 100-ω và ghép dòng tải qua điện trở 1-ω vào điện áp đất chỉ trên một cực của tín hiệu, kết quả như hình 3. Fourier transform shows that the distortion waveform is almost all the second harmonics at -68 DBC. Ở tần số cao, mức độ ghép nối này dễ dàng được tạo ra trên PCB, có thể phá hủy các đặc tính chống méo tuyệt vời của bộ khuếch đại mà không cần sử dụng đến nhiều hiệu ứng phi tuyến đặc biệt của 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.

trình

Multiamplifier chip

Vấn đề của các chip đa bộ khuếch đại (hai, ba hoặc bốn bộ khuếch đại) là do không có khả năng giữ kết nối đất của tụ điện bỏ qua xa toàn bộ đầu vào. Điều này đặc biệt đúng đối với bốn bộ khuếch đại. Các chip bộ khuếch đại bốn có các cực đầu vào ở mỗi bên, vì vậy không có chỗ cho các mạch rẽ nhánh giúp giảm nhiễu cho kênh đầu vào.

trình

Hình 5 cho thấy một cách tiếp cận đơn giản để bố trí bốn bộ khuếch đại. Hầu hết các thiết bị kết nối trực tiếp với chân khuếch đại quad. Dòng điện chạm đất của một nguồn điện có thể làm nhiễu điện áp đất đầu vào và dòng điện nối đất của nguồn điện kênh khác, dẫn đến biến dạng. Ví dụ, tụ điện bỏ qua (+ Vs) trên kênh 1 của bộ khuếch đại quad có thể được đặt trực tiếp liền kề với đầu vào của nó; Tụ điện rẽ nhánh (-Vs) có thể được đặt ở phía bên kia của gói. Dòng chạm đất (+ Vs) có thể làm nhiễu kênh 1, trong khi dòng chạm đất (-v) có thể không.

trình

Để tránh vấn đề này, hãy để dòng điện chạm đất nhiễu đầu vào, nhưng hãy để dòng điện PCB chạy theo kiểu tuyến tính trong không gian. Để đạt được điều này, tụ điện rẽ nhánh có thể được bố trí trên PCB theo cách mà các dòng đất (+ Vs) và (- Vs) chảy qua cùng một đường dẫn. Nếu tín hiệu đầu vào bị nhiễu như nhau bởi dòng điện dương và âm, thì hiện tượng méo sẽ không xảy ra. Do đó, hãy sắp xếp hai tụ điện rẽ nhánh cạnh nhau để chúng có chung một điểm nối đất. Bởi vì hai thành phần cực của dòng đất đến từ cùng một điểm (đầu nối đầu ra che chắn hoặc nối đất tải) và cả hai đều chảy ngược trở lại cùng một điểm (kết nối đất chung của tụ điện bỏ qua), nên dòng điện dương / âm chạy qua cùng một con đường. Nếu điện trở đầu vào của một kênh bị nhiễu bởi dòng điện (+ Vs), thì dòng điện (- Vs) cũng có tác dụng tương tự đối với nó. 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.

trình

Để xác minh suy luận trên, hai bố cục PCB khác nhau đã được sử dụng: bố cục đơn giản (Hình 5) và bố cục ít méo (Hình 6). Độ méo tạo ra bởi bộ khuếch đại bốn hoạt động FHP3450 sử dụng chất bán dẫn fairchild được thể hiện trong bảng 1. Băng thông điển hình của FHP3450 là 210MHz, độ dốc là 1100V / us, dòng phân cực đầu vào là 100nA và dòng hoạt động trên mỗi kênh là 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.

trình

Without an ideal quad amplifier on a PCB, measuring the effects of a single amplifier channel can be difficult. Rõ ràng, một kênh khuếch đại nhất định làm nhiễu loạn không chỉ đầu vào của chính nó mà còn cả đầu vào của các kênh khác. The earth current flows through all the different channel inputs and produces different effects, but is influenced by each output, which is measurable.

Bảng 2 cho thấy các sóng hài đo được trên các kênh chưa được phát sóng khác khi chỉ có một kênh được điều khiển. Kênh chưa được kiểm chứng hiển thị một tín hiệu nhỏ (nhiễu xuyên âm) ở tần số cơ bản, nhưng cũng tạo ra sự biến dạng do dòng đất trực tiếp đưa vào trong trường hợp không có bất kỳ tín hiệu cơ bản đáng kể nào. Cách bố trí méo hài thấp trong Hình 6 cho thấy đặc tính méo hài bậc hai và tổng méo hài (THD) được cải thiện đáng kể vì hiệu ứng dòng chạm đất gần như bị loại bỏ.

trình

Tóm tắt bài viết này

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. Dòng tín hiệu tần số cao chạy trở lại tụ điện rẽ nhánh nhỏ. Dòng điện tần số thấp, chẳng hạn như dòng điện của tín hiệu âm thanh, có thể chủ yếu chạy qua các tụ điện bỏ qua lớn hơn. Ngay cả dòng điện tần số thấp hơn cũng có thể “bỏ qua” điện dung bỏ qua đầy đủ và chảy trực tiếp trở lại dây dẫn nguồn. Ứng dụng cụ thể sẽ xác định đường dẫn hiện tại nào là quan trọng nhất. 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.

Quy tắc vàng cho việc bố trí PCB HF là giữ tụ điện bỏ qua HF càng gần chân nguồn đóng gói càng tốt, nhưng so sánh Hình 5 và Hình 6 cho thấy rằng việc sửa đổi quy tắc này để cải thiện đặc tính méo không tạo ra nhiều khác biệt. Các đặc tính biến dạng được cải thiện đến với chi phí thêm khoảng 0.15 inch của dây tụ điện tần số cao, nhưng điều này có ít ảnh hưởng đến hiệu suất phản hồi AC của FHP3450. Bố trí PCB rất quan trọng để tối đa hóa hiệu suất của bộ khuếch đại chất lượng cao và các vấn đề được thảo luận ở đây không chỉ giới hạn ở bộ khuếch đại hf. Các tín hiệu tần số thấp hơn như âm thanh có yêu cầu về độ méo tiếng nghiêm ngặt hơn nhiều. Hiệu ứng dòng đất nhỏ hơn ở tần số thấp, nhưng nó vẫn có thể là một vấn đề quan trọng nếu chỉ số méo yêu cầu được cải thiện tương ứng.