Diseño electrónico - Método de diseño de PCB para reducir la Distorsión armónica

La siguiente es una introducción al método de diseño de PCB para reducir la distorsión armónica.

La Distorsión armónica (thd) se refiere a la interferencia dañina de varios múltiplos de la frecuencia original. Cuando se amplifica la señal de frecuencia de 1khz, se producen los segundos armónicos de 2khz y 3khz, así como muchos armónicos más altos. En teoría, cuanto menor sea el valor, menor será la distorsión. Debido a que el amplificador no es ideal, además del componente de entrada amplificado, la señal de salida se ha duplicado, triplicado, cuadruplicado... O incluso los componentes de mayor frecuencia (armónicos) de la señal original causan deformación de la forma de onda de salida. Esta distorsión causada por armónicos se llama distorsión armónica.

De hecho, la placa de circuito impreso (pcb) está hecha de un material lineal eléctrico, es decir, su resistencia debe ser constante. ¿Entonces, ¿ por qué el PCB introduce no lineal en la señal? La respuesta es: el diseño del PCB es "espacial no lineal" en relación con el lugar donde fluye la corriente.

Si el amplificador extrae corriente de esta fuente de alimentación o de otra depende de la polo instantánea de la señal aplicada a la carga. La corriente sale de la fuente de alimentación, pasa por el condensadores de derivación y luego entra en la carga a través del amplificador. Luego, la corriente regresa desde el suelo de carga (o el blindaje del conector de salida de pcb) al plano de tierra, a través del condensadores de derivación, y luego a la fuente de alimentación que inicialmente proporcionó la corriente.

El concepto de que la corriente pasa por la ruta mínima de resistencia es incorrecto. La cantidad de corriente en todas las diferentes rutas de resistencia es proporcional a su conductividad eléctrica. En el plano de puesta a tierra, generalmente hay más de una ruta de baja resistencia, en la que fluye la mayor parte de la corriente de puesta a tierra: una ruta está conectada directamente al condensadores de derivación; La otra es estimular la resistencia de entrada antes de llegar al condensadores de derivación. El retorno a la tierra es la verdadera causa del problema.

Cuando los condensadores de derivación se colocan en diferentes posiciones en el pcb, la corriente de tierra fluye a través de diferentes rutas a los condensadores de derivación, lo que significa "no lineal espacial". Si una gran parte de un componente polar de la corriente de tierra fluye a través del suelo del Circuito de entrada, solo el voltaje del componente de señal de esa polo se verá perturbado. Si la otra polo de la corriente de tierra no se interfiere, el voltaje de la señal de entrada cambia de manera no lineal. Cuando un componente polar cambia y el otro no, se produce una distorsión, que se manifestará como una distorsión armónica secundaria de la señal de salida. La figura 2 muestra este efecto de distorsión en forma exagerada.

Cuando la onda sinusoidal solo tiene un componente polar perturbado, la forma de onda resultante ya no es una onda sinusoidal. La carga de 100 islas se utiliza para simular el amplificador ideal, la corriente de carga pasa por la resistencia de 1 isla, y el voltaje de entrada a tierra se acopla solo a una de las polaridades de la señal. La forma de onda distorsionada es casi todos los armónicos secundarios en - 68dbc. Cuando la frecuencia es alta, es fácil generar este grado de acoplamiento en el pcb. Puede destruir las excelentes características anti - distorsión del amplificador sin recurrir a demasiados efectos no lineales especiales del pcb. Cuando la salida de un solo amplificador operativo se distorsiona debido a la ruta de la corriente de tierra, la corriente de tierra se puede ajustar reorganizando el circuito de derivación y manteniendo la distancia del dispositivo de entrada.

Chip amplificador múltiple

El problema del chip multiamplificador (dos, tres o cuatro amplificadores) es más complicado porque no permite mantener la conexión a tierra del condensadores de derivación alejada de todos los terminales de entrada. Esto es especialmente cierto para los amplificadores cuádruple. El chip de cuatro amplificadores tiene un terminal de entrada a cada lado, por lo que no hay espacio para colocar un circuito de derivación que pueda reducir la interferencia en el canal de entrada.

La mayoría de los dispositivos están conectados directamente a los cuatro Pines del amplificador. La corriente de tierra de una fuente de alimentación interfiere con el voltaje de tierra de entrada y la corriente de tierra de la fuente de alimentación de otro canal, lo que resulta en distorsión. Por ejemplo, los condensadores de derivación (+ vs) en el canal 1 del amplificador cuádruple se pueden colocar directamente cerca de su entrada; Y los condensadores de derivación (- vs) se pueden colocar en el otro lado del paquete. La corriente de tierra (+ vs) puede interferir con el canal 1, mientras que el voltaje de tierra (- vs) puede No.

Para evitar este problema, se puede permitir que la corriente de tierra interfiera con la entrada, pero la corriente de PCB puede fluir de manera lineal espacial. Para lograrlo, puede usar el siguiente método para diseñar condensadores de derivación en el pcb: hacer que las corrientes de tierra (+ vs) y (àvs) fluyan por la misma ruta. Si la interferencia de la corriente positiva / negativa en la señal de entrada es igual, no habrá distorsión. Por lo tanto, los dos condensadores de derivación están dispuestos a ser adyacentes entre sí, compartiendo así el punto de tierra. Debido a que los componentes polares de la corriente de tierra provienen del mismo punto (blindaje del conector de salida o puesta a tierra de carga) y ambos regresan al mismo punto (conexión pública a tierra del condensadores de derivación), tanto la corriente positiva como la negativa fluyen por la misma ruta. Si la resistencia de entrada del canal se ve perturbada por una corriente (+ vs), la corriente de (àvs) tiene el mismo impacto en él. porque la interferencia es la misma independientemente de la polar, por lo que no habrá distorsión, pero la ganancia del canal cambiará ligeramente.

Para verificar la inferencia anterior, se utilizaron dos diseños de diseño de PCB diferentes: Diseño simple y diseño de baja distorsión. Con el amplificador operativo de cuatro vías fairchildàs fhp3450, el ancho de banda típico del fhp3450 es de 210 mhz, la pendiente es de 1100 V / us, la corriente de sesgo de entrada es de 100 na y la corriente de trabajo de cada canal es de 3,6 Ma. cuanto más grave sea la distorsión del canal, mejor será la mejora, por lo que el rendimiento de los cuatro canales es casi igual.

Si no hay un amplificador cuádruple ideal en el pcb, es difícil medir el efecto de un solo canal amplificador. Obviamente, el canal amplificador dado no solo interfiere con su propia entrada, sino que también interfiere con la entrada de otros canales. La corriente de tierra fluye a través de todas las entradas de canales diferentes y produce diferentes efectos, pero todos se ven afectados por cada salida. Este efecto es medible.

Los armónicos medidos en otros canales no impulsados cuando solo se conduce un canal. El canal sin conductor muestra una pequeña señal (crosstalk) a la frecuencia base, pero también genera una distorsión introducida directamente por la corriente de tierra sin ninguna señal de frecuencia base importante. El diseño de baja distorsión muestra que las características de Distorsión armónica secundaria y armónica total (thd) han mejorado enormemente debido a la eliminación casi del efecto de corriente de tierra.

Resumen de este artículo

En pocas palabras, en el pcb, el retorno a tierra fluye a través de diferentes condensadores de derivación (para diferentes fuentes de alimentación) y la propia fuente de alimentación, cuyo tamaño es proporcional a su conductividad eléctrica. La corriente de señal de alta frecuencia fluye de vuelta al pequeño condensadores de derivación. La corriente de baja frecuencia (como la corriente de señal de audio) puede fluir principalmente a través de condensadores de derivación más grandes. Incluso las corrientes de frecuencia más baja pueden "ignorar" la presencia de todos los condensadores de derivación y volver directamente a la línea de alimentación. La aplicación específica determinará qué camino actual es el más crítico. Afortunadamente, al utilizar un punto de tierra común y un condensadores de derivación de tierra en el lado de salida, se pueden proteger fácilmente todas las rutas de corriente de tierra.

La regla de oro del diseño de PCB de alta frecuencia es acercar el condensadores de derivación de alta frecuencia lo más cerca posible del pin de alimentación encapsulado. Modificar esta regla para mejorar las características de distorsión no traerá muchos cambios. La mejora de las características de distorsión se produce a costa de aumentar los rastros de los condensadores de derivación de alta frecuencia en aproximadamente 0,15 pulgadas, pero esto tiene poco impacto en el rendimiento de respuesta de ca de fhh3450. El diseño de PCB es muy importante para dar pleno juego al rendimiento de los amplificadores de alta calidad, y los problemas discutidos aquí no se limitan a los amplificadores de alta frecuencia. Las señales de baja frecuencia como el audio tienen requisitos más estrictos para la distorsión. El efecto de la corriente de tierra es menor a baja frecuencia, pero si es necesario aumentar el índice de distorsión necesario en consecuencia, la corriente de tierra puede seguir siendo un problema importante.