Elektronisches Design - PCB-Designmethode zur Reduzierung von harmonischen Verzerrungen

Im Folgenden finden Sie eine Einführung in PCB-Design Methoden zur Verringerung der harmonischen Verzerrung

Harmonische Verzerrung (THD) bezeichnet die schädliche Störung verschiedener Vielfacher der ursprünglichen Frequenz. Bei der Verstärkung des Frequenzsignals von 1kHZ werden die zweite Oberschwingung von 2kHZ und 3kHZ sowie viele höhere Oberschwingungen erzeugt. Theoretisch gilt: Je kleiner der Wert, desto geringer die Verzerrung. Da der Verstärker nicht ideal genug ist, addiert das Aunsgangssignal neben den verstärkten Eingangskomponenten auch einige 2-mal, 3-mal, 4-mal... oder sogar höherfrequente Komponenten (Oberschwingungen) des Originalsignals, was zu der Ausgangswellenform Out of Shape führt. Diese Art von Verzerrung durch Oberschwingungen wird als harmonische Verzerrung bezeichnet.

In der Tat besteht die Leiterplatte (PCB) aus elektrischen linearen Materialien, das heißt, ihre Impedanz sollte konstant sein. Warum also führt PCB Nichtlinearität in das Signal ein? Die Antwort lautet: Relativ zum Ort, an dem der Strom fließt, ist das PCB-Design-Layout "räumlich nichtlinear".

Whedier the amplifier draws current from this power supply or another power supply depends on the instantaneous polarity of the signal applied to the load. Der Strom fließt aus der Stromversorgung, durchläuft den Bypass-Kondensator, und tritt die Last durch den Verstärker ein. Dann, the current returns from the load ground (or the shield of the PCB-Ausgang connector) to the ground plane, durchläuft den Bypass-Kondensator, und kehrt zu der Stromquelle zurück, die ursprünglich den Strom lieferte.

Das Konzept des Stromflusses durch den Pfad der geringsten Impedanz ist falsch. Die Strommenge in allen verschiedenen Impedanzpfaden ist proportional zu seiner Leitfähigkeit. In einer Masseebene gibt es oft mehr als einen niederohmigen Pfad, durch den ein großer Teil des Massestroms fließt: ein Pfad ist direkt mit dem Bypass-Kondensator verbunden; Die andere besteht darin, den Eingangswiderstand vor Erreichen des Bypass-Kondensators zu stimulieren. Der Erdrückstrom ist die eigentliche Ursache des Problems.

Wenn die Bypass-Kondensatoren an verschiedenen Positionen auf der Leiterplatte platziert sind, fließt der Massestrom über verschiedene Pfade zu den jeweiligen Bypass-Kondensatoren, was die Bedeutung von "räumlicher Nichtlinearität" ist. Wenn ein großer Teil der Komponente einer bestimmten Polarität des Massestroms durch die Masse der Eingangsschaltung fließt, wird nur die Komponentenspannung dieser Polarität des Signals gestört. Wird die andere Polarität des Massestroms nicht gestört, ändert sich die Eingangssignalspannung nichtlinear. Wenn eine Polaritätskomponente geändert wird und die andere Polarität nicht geändert wird, tritt Verzerrung auf, und es erscheint als die zweite harmonische Verzerrung des Ausgangssignals. Abbildung 2 zeigt diesen Verzerrungseffekt in übertriebener Form.

Wenn nur eine Polaritätskomponente der Sinuswelle gestört wird, ist die resultierende Wellenform keine Sinuswelle mehr. Eine 100Ω-Last wird verwendet, um einen idealen Verstärker zu simulieren, der Laststrom wird durch einen 1Ω-Widerstand geleitet, und die Eingangsmassenspannung wird mit nur einer Polarität des Signals gekoppelt. Die verzerrte Wellenform ist fast die gesamte zweite Oberschwingung bei -68dBc. Wenn die Frequenz hoch ist, ist es einfach, diesen Grad der Kopplung auf der Leiterplatte zu erzeugen. Es kann die ausgezeichneten Verzerrungseigenschaften des Verstärkers zerstören, ohne auf zu viele spezielle nichtlineare Effekte der Leiterplatte zurückzugreifen. Wenn der Ausgang eines einzelnen Operationsverstärker aufgrund des Massestrompfades verzerrt ist, kann der Massestromfluss durch Neuanordnung der Bypass-Schleife und Halten des Abstandes von der Eingabevorrichtung eingestellt werden.

Mehrverstärker-Chip

Das Problem der Multiverstärker-Chips (zwei, drei oder vier Verstärker) ist komplizierter, da sie die Masseverbindungen der Bypass-Kondensatoren nicht weit von allen Eingangsanschlüssen fernhalten können. Dies gilt insbesondere für Quad-Verstärker. Jede Seite des Vier-Verstärker-Chips hat einen Eingangsanschluss, so dass kein Platz für eine Bypass-Schaltung ist, die die Störung des Eingangskanals reduzieren kann.

Die meisten Geräte sind direkt an die vier Verstärkerpins angeschlossen. Der Massestrom eines Netzteils kann die Eingangsgrundspannung und den Massestrom des anderen Kanalnetzteils stören und Verzerrungen verursachen. Zum Beispiel kann der (+Vs) Bypass-Kondensator auf Kanal 1 des Quad-Verstärkers direkt in der Nähe seines Eingangs platziert werden; Der Bypass-Kondensator (-Vs) kann auf der anderen Seite des Gehäuses platziert werden. (+Vs) Massestrom kann Kanal 1 stören, während (-Vs) Massestrom nicht.

Um dieses Problem zu vermeiden, kann der Massestrom den Eingang stören, aber der Leiterplattenstrom kann räumlich linear fließen. Um dies zu erreichen, können Sie die folgende Methode verwenden, um Bypass-Kondensatoren auf der Leiterplatte zu layouten: Lassen Sie die (+Vs) und (–Vs) Erdströme durch den gleichen Pfad fließen. Ist die Störung des positiven/negativen Stroms zum Eingangssignal gleich, entsteht keine Verzerrung. Daher sind die beiden Bypass-Kondensatoren so nebeneinander angeordnet, dass sie einen Erdungspunkt teilen. Da die beiden polaren Komponenten des Massestroms vom gleichen Punkt kommen (der Ausgangsanschluss Schirm oder die Lastmasse) und beide zum gleichen Punkt zurückkehren (der gemeinsame Masseanschluss des Bypass-Kondensators), fließen sowohl die positiven als auch die negativen Ströme durch den gleichen Pfad. Wenn der Eingangswiderstand eines Kanals durch den (+Vs)-Strom gestört wird, hat der (–Vs) Strom die gleiche Wirkung auf ihn. Denn unabhängig von der Polarität sind die Störungen gleich, so dass es keine Verzerrung gibt, sondern eine kleine Änderung der Kanalverstärkung tritt auf.

Um die obige Schlussfolgerung zu überprüfen, werden zwei verschiedene PCB-Design-Layouts verwendet: einfaches Layout und verzerrungsarmes Layout. Mit Fairchildâs Vierfach-Operationsverstärker FHP3450 beträgt die typische Bandbreite von FHP3450 210MHz, die Steigung beträgt 1100V/us, der Eingangs-Bias-Strom beträgt 100nA und der Betriebsstrom pro Kanal beträgt 3,6mA. Je stärker die Verzerrung des Kanals ist, desto besser der Verbesserungseffekt, so dass die 4-Kanäle nahezu gleich leistungsfähig sind.

Wenn es keinen idealen Quad-Verstärker auf der Leiterplatte gibt, wird es schwierig sein, die Wirkung eines einzelnen Verstärkerkanals zu messen. Offensichtlich stört ein bestimmter Verstärkerkanal nicht nur seinen eigenen Eingang, sondern auch die Eingänge anderer Kanäle. Der Massestrom fließt durch alle verschiedenen Kanaleingänge und erzeugt unterschiedliche Effekte, aber sie werden alle von jedem Ausgang beeinflusst. Dieser Effekt ist messbar.

Wenn nur ein Kanal angetrieben wird, werden die Oberschwingungen auf den anderen Kanälen nicht angetrieben. Der ungetriebene Kanal zeigt ein kleines Signal (Übersprechen) bei der Grundfrequenz, aber ohne nennenswertes Fundamentalsignal erzeugt er auch Verzerrungen, die direkt durch den Massestrom eingebracht werden. Verzerrungsarme Layoutanzeige: Da der Massestromeffekt nahezu eliminiert wird, wurden die Eigenschaften der zweiten harmonischen und totalen harmonischen Verzerrung (THD) erheblich verbessert.

Zusammenfassung dieses Artikels

Einfach ausgedrückt, auf der Leiterplatte fließt der Erdrückstrom durch verschiedene Bypass-Kondensatoren (für verschiedene Netzteile) und das Netzteil selbst, und seine Größe ist proportional zu seiner Leitfähigkeit. Der Hochfrequenzsignalstrom fließt zurück zum kleinen Bypass-Kondensator. Niederfrequente Ströme (wie Audiosignalströme) können hauptsächlich durch größere Bypass-Kondensatoren fließen. Selbst niederfrequente Ströme können die Existenz aller Bypass-Kondensatoren "ignorieren" und direkt zu den Stromleitungen zurückfließen. Die spezifische Anwendung bestimmt, welcher aktuelle Pfad der kritischste ist. Glücklicherweise können durch die Verwendung eines gemeinsamen Massepunktes und eines Erdungs-Bypass-Kondensators auf der Ausgangsseite alle Erdungsstromwege leicht geschützt werden.

The golden rule of Hochfrequenz-Leiterplatte design Das Layout besteht darin, den Hochfrequenz-Bypass-Kondensator so nah wie möglich am Stromversorgungsstift des Gehäuses zu platzieren. Die Änderung dieser Regel zur Verbesserung der Verzerrungseigenschaften wird nicht viel ändern. Die Verbesserung der Verzerrungseigenschaften geht auf Kosten von etwa 0.15 Zoll Hochfrequenz Bypass Kondensator Spuren, Dies hat jedoch wenig Einfluss auf die AC-Ansprechleistung des FHP3450. PCB-Design Layout ist sehr wichtig, um die Leistung eines hochwertigen Verstärkers voll zu spielen, und die hier diskutierten Themen beschränken sich keineswegs auf Hochfrequenzverstärker. Niederfrequente Signale wie Audio haben viel strengere Anforderungen an Verzerrung. Der Erdstromeffekt ist bei niedrigen Frequenzen kleiner, aber wenn der erforderliche Verzerrungsindex entsprechend verbessert werden muss, Der Bodenstrom kann immer noch ein wichtiges Thema sein.