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. Dòng điện chạy từ nguồn điện, qua tụ điện, qua bộ khuếch đại vào tải. Sau đó, dòng điện đi từ đầu nối đất của tải (hoặc tấm chắn của đầu nối đầu ra PCB) trở lại mặt đất, qua tụ điện rẽ nhánh và quay trở lại nguồn đã cung cấp dòng điện ban đầu.

Khái niệm về đường đi nhỏ nhất của dòng điện qua trở kháng là không chính xác. Lượng dòng điện trong tất cả các đường dẫn trở kháng khác nhau tỷ lệ với độ dẫn của nó. 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. Dòng chảy ngược là những gì thực sự gây ra vấn đề.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

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”. Nếu một phần đáng kể của thành phần cực của dòng điện chạy qua đất của mạch đầu vào, thì chỉ thành phần cực đó của tín hiệu bị nhiễu. 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.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

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.Biến đổi Fourier cho thấy dạng sóng biến dạng gần như là tất cả các sóng hài thứ hai ở -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. Khi đầu ra của một bộ khuếch đại hoạt động đơn lẻ bị méo do đường dẫn dòng đất, dòng điện mặt đất có thể được điều chỉnh bằng cách sắp xếp lại vòng lặp và duy trì khoảng cách với thiết bị đầu vào, như thể hiện trong Hình 4.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Chip đa khuếch đại

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.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

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.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

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. Bởi vì nhiễu kết quả là giống nhau bất kể cực tính, không có biến dạng, nhưng một sự thay đổi nhỏ trong độ lợi của kênh sẽ xảy ra, như thể hiện trong Hình 6.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

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. Có thể thấy ở bảng 1, kênh càng méo thì càng phải cải thiện tốt hơn, để XNUMX kênh có hiệu suất gần như ngang nhau.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Nếu không có bộ khuếch đại quad lý tưởng trên PCB, việc đo lường hiệu ứng của một kênh khuếch đại đơn có thể khó khăn. 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. Dòng điện đất chạy qua tất cả các đầu vào kênh khác nhau và tạo ra các hiệu ứng khác nhau, nhưng bị ảnh hưởng bởi từng đầu ra, có thể đo được.

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.

How to reduce harmonic distortion in PCB design

Tóm tắt bài viết này

Nói một cách đơn giản, trên PCB, dòng điện ngược chạy qua các tụ điện bỏ qua khác nhau (đối với các bộ nguồn khác nhau) và chính bộ nguồn, tỷ lệ với độ dẫn điện của nó. 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. May mắn thay, có thể dễ dàng bảo vệ toàn bộ đường dẫn đất bằng cách sử dụng điểm nối đất chung và tụ điện rẽ đất ở phía đầu ra.

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.