Leiterplattentechnisch - So vermeiden Sie die Verzerrung des PCB-Designs

In der Tat, die Leiterplatte besteht auns elektrischen Linearmaterialien, das ist, seine Impedanz sollte konstant sein. Also, Warum führt PCB Nichtlinearität in das Signal ein? Die Antwort ist, dass das PCB-Layout relativ zum Stromfluss "räumlich nichtlinear" ist..

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.

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.

Wenn nur eine Polaritätskomponente der Sinuswelle gestört wird, ist die resultierende Wellenform keine Sinuswelle mehr. Verwenden Sie eine 100Ω-Last, um einen idealen Verstärker zu simulieren, lassen Sie den Laststrom durch einen 1Ω-Widerstand gehen und koppeln Sie die Eingangsmassenspannung an nur eine Polarität des Signals, dann wird das Ergebnis in Abbildung 3 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 durch Neuanordnung der Bypass-Schleife und Halten des Abstandes von der Eingabevorrichtung eingestellt werden.

So vermeiden Sie die Verzerrung von PCB-Design

Mehrverstärker-Chip

The problem of multi-amplifier chips (two, drei, or four amplifiers) is more complicated because it cannot keep the bypass capacitor ground connections 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.

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 die Bypass-Kondensatoren wie folgt auf der Leiterplatte platziert werden: lassen Sie die (+Vs) und (–Vs) Erdströme durch den gleichen Weg 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 von demselben Punkt kommen (der Ausgangsanschlussschild oder die Lastmasse) und beide zum selben Punkt zurückkehren (der gemeinsame Masseanschluss des Bypass-Kondensators), fließen sowohl die positiven als auch die negativen Ströme durch denselben Pfad. Wenn der Eingangswiderstand eines Kanals durch den (+Vs)-Strom gestört wird, Der (–Vs) Strom hat 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 wird auftreten.

Um die obige Schlussfolgerung zu überprüfen, zwei verschiedene Leiterplattenlayouts werden verwendet: einfaches Layout und verzerrungsarmes Layout. Verwendung des Vierfach-Operationsverstärker FHP3450 von Fairchild, Die typische Bandbreite von FHP3450 beträgt 210MHz, die Steigung ist 1100V/us, der Eingangsspannung ist 100nA, und der Betriebsstrom pro Kanal ist 3.6mA. Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, dass je schwerer die Verzerrung des Kanals ist, je besser der Verbesserungseffekt, so dass die 4-Kanäle nahezu gleich leistungsfähig sind.

Ohne einen idealen Quad-Verstärker auf der Leiterplatte wird es schwierig sein, die Effekte 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. Das verzerrungsarme Layout zeigt, dass die Eigenschaften der zweiten harmonischen und totalen harmonischen Verzerrung (THD) erheblich verbessert wurden, da der Massestrom-Effekt fast eliminiert wird.