PCB-Neuigkeiten - Die goldene Regel der Reduzierung harmonischer Verzerrungen im Hochfrequenz-PCB-Design

In der Tat, die Leiterplatte(PCB) is made of electrical linear materials, das ist, seine Impedanz sollte konstant sein. Also, warum PCB Nichtlinearität in das Signal einführen? Die Antwort liegt in der Tatsache, dass die PCB Layout ist "räumlich nichtlinear" relativ zum Stromflunss.

Ob der Verstärker Strom von diesem Netzteil oder einer anderen Stromversorgung bezieht, hängt von der momentanen Polarität des Signals ab, das auf die Last angewendet wird. Der Strom fließt von der Stromversorgung, geht durch den Bypass-Kondensator und tritt die Last durch den Verstärker ein. Dann kehrt der Strom von der Lastmasse (oder dem Schirm des Leiterplattenausgangssteckers) zur Masseebene zurück, geht durch den Bypass-Kondensator und kehrt zu der Stromquelle zurück, die ursprünglich den Strom bereitgestellt hat.

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. Abbildung 1 veranschaulicht diese beiden Wege. Der Erdrückstrom ist die eigentliche Ursache des Problems.

Wenn die Bypass-Kondensatoren in verschiedenen Positionen auf der Leiterplatte, Der Massestrom fließt 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, Nur die Komponentenspannung dieser Polarität des Signals wird gestört. Wenn die andere Polarität des Massestroms nicht gestört wird, die Eingangssignalspannung ändert sich nicht linear. Wenn eine Polaritätskomponente geändert wird und die andere Polarität nicht geändert wird, Verzerrung wird auftreten, 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 100 Ω-Last wird verwendet, um einen idealen Verstärker zu simulieren, und der Laststrom wird durch einen 1 Ω-Widerstand geleitet, und die Eingangsmassenspannung wird nur mit einer Polarität des Signals gekoppelt, und das Ergebnis in Abbildung 3 wird erhalten. Fourier-Transformation zeigt, dass die verzerrte Wellenform fast die gesamte zweite Oberschwingung bei -68dBc ist. 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 eingestellt werden, indem die Bypass-Schleife neu angeordnet und der Abstand zum Eingabegerät gehalten wird, wie in Abbildung 4 gezeigt.

Multi-amplifier chip
The problem of multi-amplifier chips (two, three or four amplifiers) is more complicated because it cannot keep the ground connections of the bypass capacitors far away from all inputs. Dies gilt insbesondere für Quad-Verstärker. Jede Seite des Vier-Verstärker-Chips hat einen Eingangsanschluss, So gibt es keinen Platz für eine Bypass-Schaltung, die die Störung des Eingangskanals reduzieren kann.

Abbildung 5 zeigt eine einfache Methode des Vier-Verstärker-Layouts. 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, lassen Sie den Massestrom den Eingang stören, aber lassen Sie den Leiterplattenstrom 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 (Ausgangsanschlussschild oder Lastmasse) und beide zum gleichen Punkt zurückkehren (gemeinsame Masseverbindung des Bypass-Kondensators), fließen sowohl positive als auch negative 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 kleine Veränderungen in der Kanalverstärkung auftreten, wie in Abbildung 6 gezeigt.

Um die obige Schlussfolgerung zu überprüfen, werden zwei verschiedene PCB-Layouts verwendet: ein einfaches Layout (Abbildung 5) und ein verzerrungsarmes Layout (Abbildung 6). Die Verzerrung, die von Fairchilds Vierfach-Operationsverstärker FHP3450 erzeugt wird, ist in Tabelle 1 dargestellt. Die typische Bandbreite des FHP3450 beträgt 210MHz, die Steigung beträgt 1100V/us, der Eingangs-Bias-Strom beträgt 100nA und der Betriebsstrom jedes Kanals beträgt 3,6mA. Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, dass je stärker die Verzerrung des Kanals ist, desto besser der Verbesserungseffekt, so dass die 4-Kanäle in der Leistung nahezu gleich sind.

Ohne einen idealen Quad-Verstärker auf dem PCB, Es wäre schwierig, die Effekte eines einzelnen Verstärkerkanals zu messen. Offensichtlich, Ein bestimmter Verstärkerkanal stört nicht nur den eigenen Eingang, aber auch die Eingänge anderer Kanäle. Der Massestrom fließt durch alle verschiedenen Kanaleingänge und erzeugt unterschiedliche Effekte, aber sie sind alle von jedem Ausgang betroffen. Dieser Effekt ist messbar.
Tabelle 2 zeigt die Oberschwingungen, die auf den anderen ungetriebenen Kanälen gemessen werden, wenn nur ein Kanal angetrieben wird. The undriven channel shows a small signal (crosstalk) at the fundamental frequency, aber ohne nennenswertes Fundamentalsignal, Es erzeugt auch Verzerrung direkt durch den Erdstrom eingebracht. The low-distortion layout in Figure 6 shows that the second harmonic and total harmonic distortion (THD) characteristics are greatly improved because the ground current effect is almost eliminated.

Summary of this article
Simply put, über die PCB, the ground return current flows through different bypass capacitors (for different power supplies) and the power supply itself, und seine Größe ist proportional zu seiner Leitfähigkeit. Der Hochfrequenzsignalstrom fließt zurück zum kleinen Bypass-Kondensator. Low-frequency currents (such as audio signal currents) may mainly flow through larger bypass capacitors. Selbst niederfrequente Ströme können die Existenz aller Bypass-Kondensatoren "ignorieren" und direkt zurück zu den Stromleitungen fließen. Die spezifische Anwendung bestimmt, welcher aktuelle Pfad der kritischste ist. Glücklicherweise, durch Verwendung eines gemeinsamen Massepunktes und eines Massebbypass-Kondensators auf der Ausgangsseite, alle Erdstromwege können leicht geschützt werden.
Die goldene Regel der Hochfrequenz PCB Das Layout besteht darin, den Hochfrequenz-Bypass-Kondensator so nah wie möglich am Stromversorgungsstift des Gehäuses zu platzieren. Allerdings, Vergleich der Zahlen 5 und 6, Es kann gesehen werden, dass die Änderung dieser Regel zur Verbesserung der Verzerrungseigenschaften nicht viel Veränderung bringen wird. 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 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.

The above is an introduction to the golden rule of reducing harmonic distortion in Hochfrequenz-PCB-Design. Ipcb wird auch für Leiterplattenhersteller and PCB Fertigungstechnik.