Progettazione PCB - Metodo di progettazione PCB per ridurre la distorsione armonica

Quanto segue è un'introduzione ai metodi di progettazione PCB per ridurre la distorsione armonica

La distorsione armonica (THD) si riferisce all'interferenza dannosa di vari multipli della frequenza originale. Quando amplifica il segnale di frequenza di 1kHZ, verrà generata la seconda armonica di 2kHZ e 3kHZ e molte armoniche superiori. In teoria, più piccolo è il valore, minore è la distorsione. Poiché l'amplificatore non è abbastanza ideale, oltre ai componenti di ingresso amplificati, il segnale di uscita aggiunge anche circa 2 volte, 3 volte, 4 volte... o anche componenti di frequenza superiore (armoniche) del segnale originale, con conseguente forma d'onda in uscita fuori forma. Questo tipo di distorsione causata da armoniche è chiamata distorsione armonica.

Infatti, il circuito stampato (PCB) è realizzato con materiali elettrici lineari, cioè la sua impedenza dovrebbe essere costante. Quindi, perché PCB introduce la non linearità nel segnale? La risposta è: rispetto al luogo in cui scorre la corrente, il layout di progettazione del PCB è "spazialmente non lineare".

Se l'amplificatore preleva corrente da questo alimentatore o da un altro alimentatore dipende dalla polarità istantanea del segnale applicato al carico. La corrente scorre dall'alimentazione elettrica, passa attraverso il condensatore bypass e entra nel carico attraverso l'amplificatore. Quindi, la corrente ritorna dal terreno di carico (o dallo scudo del connettore di uscita PCB) al piano di terra, passa attraverso il condensatore di bypass e ritorna alla fonte di alimentazione che originariamente forniva la corrente.

Il concetto di corrente che scorre attraverso il percorso di minore impedenza è errato. La quantità di corrente in tutti i diversi percorsi di impedenza è proporzionale alla sua conducibilità. In un piano di terra, c'è spesso più di un percorso a bassa impedenza attraverso il quale scorre una grande parte della corrente di terra: un percorso è direttamente collegato al condensatore di bypass; l'altro è quello di stimolare la resistenza in ingresso prima di raggiungere il condensatore bypass. La corrente di ritorno a terra è la vera causa del problema.

Quando i condensatori di bypass sono posizionati in posizioni diverse sul PCB, la corrente di massa scorre ai rispettivi condensatori di bypass attraverso percorsi diversi, che è il significato di "non linearità spaziale". Se una gran parte del componente di una certa polarità della corrente di terra scorre attraverso il terreno del circuito di ingresso, solo la tensione del componente di questa polarità del segnale sarà disturbata. Se l'altra polarità della corrente di terra non viene disturbata, la tensione del segnale in ingresso cambia in modo non lineare. Quando un componente di polarità viene cambiato e l'altra polarità non viene cambiata, si verificherà una distorsione e apparirà come la seconda distorsione armonica del segnale di uscita. La figura 2 mostra questo effetto di distorsione in forma esagerata.

Quando un solo componente di polarità dell'onda sinusoidale viene disturbato, la forma d'onda risultante non è più un'onda sinusoidale. Un carico 100Ω è usato per simulare un amplificatore ideale, la corrente di carico è passata attraverso una resistenza 1Ω e la tensione di massa in ingresso è accoppiata ad una sola polarità del segnale. La forma d'onda distorta è quasi tutta la seconda armonica a -68dBc. Quando la frequenza è alta, è facile generare questo grado di accoppiamento sul PCB. Può distruggere le eccellenti caratteristiche anti-distorsione dell'amplificatore senza ricorrere a troppi effetti speciali non lineari del PCB. Quando l'uscita di un singolo amplificatore operativo è distorta a causa del percorso della corrente di massa, il flusso della corrente di massa può essere regolato riorganizzando il ciclo di bypass e mantenendo la distanza dal dispositivo di ingresso.

Chip multi-amplificatore

Il problema dei chip multi-amplificatore (due, tre o quattro amplificatori) è più complicato perché non riesce a mantenere le connessioni a terra dei condensatori bypass lontane da tutti i terminali di ingresso. Questo è particolarmente vero per gli amplificatori quad. Ogni lato del chip a quattro amplificatori ha un terminale di ingresso, quindi non c'è spazio per un circuito di bypass che può ridurre il disturbo al canale di ingresso.

La maggior parte dei dispositivi sono collegati direttamente ai quattro pin dell'amplificatore. La corrente di terra di un alimentatore può disturbare la tensione di terra di ingresso e la corrente di terra dell'altro alimentatore del canale, causando distorsioni. Ad esempio, il condensatore bypass (+Vs) sul canale 1 dell'amplificatore quad può essere posizionato direttamente vicino al suo ingresso; e il condensatore bypass (-Vs) può essere posizionato sull'altro lato della confezione. (+Vs) corrente di terra può disturbare il canale 1, mentre (-Vs) corrente di terra potrebbe no.

Per evitare questo problema, la corrente di terra può essere permessa di disturbare l'ingresso, ma la corrente PCB può fluire in modo spazialmente lineare. Per raggiungere questo obiettivo, è possibile utilizzare il seguente metodo per posizionare condensatori bypass sul PCB: far scorrere le correnti di terra (+Vs) e (â“Vs) attraverso lo stesso percorso. Se il disturbo della corrente positiva/negativa al segnale di ingresso è uguale, non ci sarà distorsione. Pertanto, i due condensatori di bypass sono disposti uno accanto all'altro in modo che condividano un punto di terra. Poiché i due componenti polari della corrente di massa provengono dallo stesso punto (lo scudo del connettore di uscita o la massa di carico) ed entrambi ritornano allo stesso punto (il collegamento a terra comune del condensatore di bypass), entrambe le correnti positive e negative scorrono attraverso lo stesso percorso. Se la resistenza in ingresso di un canale è disturbata dalla corrente (+Vs), la corrente (–Vs) ha lo stesso effetto su di esso. Perché non importa quale sia la polarità, i disturbi sono gli stessi, quindi non ci sarà distorsione, ma si verificherà un piccolo cambiamento nel guadagno del canale.

Per verificare l'inferenza di cui sopra, vengono utilizzati due diversi layout di progettazione PCB: layout semplice e layout a bassa distorsione. Utilizzando l'amplificatore operativo FHP3450 di Fairchild, la larghezza di banda tipica di FHP3450 è 210MHz, la pendenza è 1100V / us, la corrente di bias in ingresso è 100nA e la corrente di funzionamento per canale è 3.6mA. Più grave è la distorsione del canale, migliore è l'effetto di miglioramento, in modo che i 4 canali sono quasi uguali nelle prestazioni.

Se non c'è un amplificatore quad ideale sul PCB, sarà difficile misurare l'effetto di un singolo canale amplificatore. Ovviamente, un dato canale amplificatore non solo disturba il proprio ingresso, ma anche gli ingressi di altri canali. La corrente di terra scorre attraverso tutti i diversi ingressi del canale e produce effetti diversi, ma sono tutti influenzati da ogni uscita. Questo effetto è misurabile.

Quando si guida un solo canale, le armoniche si misurano sugli altri canali non guidati. Il canale non guidato mostra un piccolo segnale (crosstalk) alla frequenza fondamentale, ma senza alcun segnale fondamentale significativo, produce anche distorsioni direttamente introdotte dalla corrente di terra. Visualizzazione del layout a bassa distorsione: Poiché l'effetto corrente di terra è quasi eliminato, le caratteristiche della seconda distorsione armonica e totale (THD) sono state notevolmente migliorate.

Sintesi di questo articolo

In poche parole, sul PCB, la corrente di ritorno a terra scorre attraverso diversi condensatori bypass (per diversi alimentatori) e l'alimentazione stessa, e la sua dimensione è proporzionale alla sua conducibilità. La corrente del segnale ad alta frequenza ritorna al piccolo condensatore bypass. Le correnti a bassa frequenza (come le correnti del segnale audio) possono scorrere principalmente attraverso condensatori bypass più grandi. Anche le correnti a bassa frequenza possono "ignorare" l'esistenza di tutti i condensatori bypass e tornare direttamente ai cavi di alimentazione. L'applicazione specifica determinerà quale percorso corrente è il più critico. Fortunatamente, utilizzando un punto di terra comune e un condensatore di bypass a terra sul lato dell'uscita, tutti i percorsi di corrente a terra possono essere facilmente protetti.

La regola d'oro del layout di progettazione PCB ad alta frequenza è quella di posizionare il condensatore di bypass ad alta frequenza il più vicino possibile al perno di alimentazione del pacchetto. Modificare questa regola per migliorare le caratteristiche di distorsione non porterà molto cambiamento. Il miglioramento delle caratteristiche di distorsione avviene al costo di aggiungere circa 0,15 pollici di tracce del condensatore bypass ad alta frequenza, ma questo ha poco effetto sulle prestazioni di risposta AC del FHP3450. Il layout di progettazione PCB è molto importante per dare pieno gioco alle prestazioni di un amplificatore di alta qualità e le questioni discusse qui non sono affatto limitate agli amplificatori ad alta frequenza. I segnali a bassa frequenza come l'audio hanno requisiti molto più severi per la distorsione. L'effetto della corrente di terra è minore alle basse frequenze, ma se è necessario migliorare di conseguenza l'indice di distorsione richiesto, la corrente di terra può ancora essere un problema importante.