Conception électronique - Méthodes de conception de PCB pour réduire la distorsion harmonique

Voici une introduction aux méthodes de conception de PCB pour réduire la distorsion harmonique

La distorsion harmonique (THD) fait référence aux interférences nuisibles de divers multiples de la fréquence d'origine. Lors de l'amplification d'un signal de fréquence de 1 kHz, des seconds harmoniques de 2 kHz et 3 kHz et de nombreux harmoniques plus élevés sont générés. En théorie, plus cette valeur est faible, plus la distorsion est faible. Comme l'amplificateur n'est pas assez idéal, le signal de sortie est multiplié par 2x, 3x, 4x en plus de la composante d'entrée amplifiée... Ou même des composantes fréquentielles plus élevées (harmoniques) du signal original provoquent une déformation de la forme d'onde de sortie. Cette distorsion causée par les harmoniques est appelée distorsion harmonique.

En effet, une carte de circuit imprimé (PCB) est réalisée en un matériau électriquement linéaire, c'est - à - dire que son impédance doit être constante. Alors, pourquoi les PCB introduisent - ils la non - linéarité dans le signal? La réponse est: la disposition de conception du PCB est « non linéaire dans l'espace» par rapport à l'endroit où le courant circule.

Le fait que l'amplificateur tire son courant de cette source ou d'une autre dépend de la polarité instantanée du signal appliqué à la charge. Le courant sort de l'alimentation, passe par un condensateur de dérivation, puis entre dans la charge à travers un amplificateur. Le courant est ensuite renvoyé de la masse de la charge (ou du blindage du connecteur de sortie PCB) au plan de masse, à travers le condensateur de dérivation, puis à l'alimentation qui a initialement fourni le courant.

L'idée que le courant passe par le chemin d'impédance minimale est incorrecte. La quantité de courant dans tous les chemins d'impédance différents est proportionnelle à sa conductivité. Dans le plan de masse, il y a généralement plus d'un chemin de faible impédance dans lequel circule la majeure partie du courant de masse: un chemin est directement relié au condensateur de dérivation; L'autre consiste à stimuler la résistance d'entrée avant d'atteindre le condensateur de dérivation. Le retour de terre est la véritable cause du problème.

Lorsque les condensateurs de dérivation sont placés à différents endroits sur le PCB, le courant de masse circule à travers différents chemins vers les différents condensateurs de dérivation, ce qui signifie « non - linéarité spatiale». Si une partie importante de la composante d'une certaine polarité du courant de masse circule à travers la masse du circuit d'entrée, seule la tension de la composante signal de cette polarité est perturbée. Si l'autre polarité du courant de masse n'est pas perturbée, la tension du signal d'entrée varie de manière non linéaire. Lorsqu'une composante polaire change et que l'autre ne change pas, une distorsion se produira et la distorsion se traduira par une distorsion harmonique secondaire du signal de sortie. La figure 2 montre cet effet de distorsion sous une forme exagérée.

Lorsque seule une composante polaire d'une onde sinusoïdale est perturbée, la forme d'onde résultante n'est plus une onde sinusoïdale. Une charge de 100 îlots est utilisée pour simuler l'amplificateur idéal, le courant de charge traverse une résistance de 1 îlot et la tension de masse d'entrée est couplée à une seule polarité du signal. La forme d'onde déformée est presque tous les seconds harmoniques à - 68dbc. Lorsque la fréquence est élevée, il est facile de créer ce degré de couplage sur le PCB. Il peut détruire les excellentes caractéristiques anti - distorsion de l'amplificateur sans avoir à recourir à trop d'effets non linéaires spéciaux du PCB. Lorsque la sortie d'un seul amplificateur opérationnel est déformée en raison du trajet du courant de masse, le courant de masse peut être ajusté en réarrangeant la boucle de dérivation et en maintenant la distance du dispositif d'entrée.

Puce Multi - amplificateur

Le problème d'une puce Multi - amplificateur (deux, trois ou quatre amplificateurs) est d'autant plus complexe qu'elle ne permet pas d'éloigner la connexion à la masse du condensateur de dérivation de toutes les bornes d'entrée. C'est particulièrement vrai pour les amplificateurs quaternaires. Il y a une entrée de chaque côté de la puce à quatre amplificateurs, il n'y a donc pas de place pour un circuit de dérivation qui pourrait réduire l'interférence sur le canal d'entrée.

La plupart des appareils sont directement connectés à quatre broches d'amplificateur. Le courant de terre d'une source d'alimentation peut interférer avec la tension de terre d'entrée et le courant de terre de l'autre source d'alimentation de canal, provoquant la distorsion. Par example, un condensateur de dérivation (+ vs) sur la voie 1 d'un amplificateur quaternaire peut être placé directement à proximité de son entrée; Et un condensateur de dérivation (- vs) peut être placé de l'autre côté du boîtier. Le courant de terre (+ vs) peut interférer avec le canal 1, tandis que le courant de terre (- vs) peut ne pas interférer avec le canal 1.

Pour éviter ce problème, le courant de terre peut être autorisé à interférer avec l'entrée, mais le courant PCB peut circuler de manière spatialement linéaire. Pour ce faire, vous pouvez mettre en place un condensateur de dérivation sur le PCB en utilisant la méthode suivante: faire circuler les courants de masse (+ vs) et (âvs) dans le même chemin. Si les perturbations du signal d'entrée par des courants positifs / négatifs sont égales, aucune distorsion ne se produit. Ainsi, les deux condensateurs de dérivation sont agencés de manière à être adjacents l'un à l'autre, de sorte qu'ils partagent un site de mise à la masse. Comme les composantes bipolaires du courant de masse proviennent du même point (blindage du connecteur de sortie ou mise à la masse de la charge) et reviennent toutes au même point (connexion commune à la masse du condensateur de dérivation), les courants positif et négatif circulent sur le même chemin. Si la résistance d'entrée d'un canal est perturbée par un courant de (+ vs), le courant de (â vs) a le même effet sur celui - ci, car la perturbation est la même quelle que soit la polarité, de sorte qu'il n'y a pas de distorsion, mais de légères variations du gain du canal.

Pour vérifier l'inférence ci - dessus, deux dispositions de conception de PCB différentes ont été utilisées: une disposition simple et une disposition à faible distorsion. Avec l'amplificateur opérationnel quatre voies fairchildâs fhp3450, la bande passante typique du fhp3450 est de 210 MHz, la pente est de 1100 V / US, le courant de polarisation d'entrée est de 100 na et le courant de fonctionnement par canal est de 3,6 ma. Plus les canaux sont déformés, mieux l'amélioration est, donc les performances des 4 canaux sont presque égales.

S'il n'y a pas d'amplificateur quaternaire idéal sur le PCB, il est difficile de mesurer l'effet d'un seul canal d'amplification. Il est évident qu'un canal d'amplification donné perturbe non seulement ses propres entrées, mais aussi celles des autres canaux. Le courant de terre circule à travers toutes les différentes entrées de canal et produit des effets différents, mais ils sont tous affectés par chaque sortie. Cet effet est mesurable.

Harmoniques mesurées sur les autres canaux non entraînés lorsqu'un seul canal est piloté. Le canal non piloté présente un petit signal (diaphonie) à la fréquence fondamentale, mais en l'absence de tout signal fondamental important, il crée également une distorsion directement introduite par le courant de masse. Affichage de la disposition à faible distorsion: les caractéristiques de distorsion harmonique secondaire et totale (THD) sont grandement améliorées grâce à l'élimination quasi totale de l'effet de courant de terre.

Résumé de cet article

En termes simples, sur un PCB, le retour de masse circule à travers différents condensateurs de dérivation (pour différentes sources d'alimentation) et l'alimentation elle - même, dont la taille est proportionnelle à sa conductivité. Le courant de signal haute fréquence retourne au petit condensateur de dérivation. Un courant basse fréquence, tel qu'un courant de signal audio, peut circuler principalement à travers un condensateur de dérivation plus grand. Même un courant de fréquence inférieure peut "ignorer" la présence de tous les condensateurs de dérivation et retourner directement sur la ligne d'alimentation. Une application spécifique déterminera quel chemin actuel est le plus critique. Heureusement, tous les chemins de courant de terre peuvent être facilement protégés en utilisant un point de masse commun et un condensateur de dérivation de la terre du côté de la sortie.

La règle d'or de la conception de circuits imprimés haute fréquence consiste à placer le condensateur de dérivation haute fréquence le plus près possible de la broche d'alimentation du boîtier. La modification de cette règle pour améliorer les caractéristiques de distorsion n'apportera pas beaucoup de changement. L'amélioration des caractéristiques de distorsion s'est produite au prix de l'ajout d'une piste de condensateur de dérivation haute fréquence d'environ 0,15 pouce, mais cela a eu peu d'impact sur les performances de réponse AC du fhp3450. La disposition de conception de PCB est très importante pour tirer le meilleur parti des performances d'un amplificateur de haute qualité, et les questions discutées ici ne sont en aucun cas limitées aux amplificateurs haute fréquence. Les signaux basse fréquence comme l'audio ont des exigences plus strictes en matière de distorsion. L'effet du courant de terre est faible aux basses fréquences, mais le courant de terre peut rester un problème important si l'indice de distorsion requis doit être augmenté en conséquence.