PCB Tecnico - Impara a ridurre la distorsione armonica nella progettazione PCB

Il PCB è realizzato con materiali elettricamente lineari, cioè la sua impedenza dovrebbe essere costante. Quindi, perché PCB introduce la non linearità nel segnale?

La risposta sta nel fatto che il layout PCB è "spazialmente non lineare" rispetto a dove scorre la corrente.

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 terminale di terra 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 figura 1 illustra questi due percorsi. 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 di 100 Ω è usato per simulare un amplificatore ideale, e la corrente di carico è passata attraverso una resistenza di 1 Ω e la tensione di massa in ingresso è accoppiata ad una sola polarità del segnale e si ottiene il risultato mostrato nella Figura 3. La trasformazione Fourier mostra che 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 gli ingressi. 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, lasciare che la corrente di terra disturbi l'ingresso, ma lasciare che la corrente PCB fluisca 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. Non importa quale sia la polarità, i disturbi sono gli stessi, quindi non ci sarà distorsione, ma si verificheranno piccoli cambiamenti nel guadagno del canale.

Senza un amplificatore quad ideale sul PCB, sarebbe difficile misurare gli effetti 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.

La tabella 2 mostra le armoniche misurate sugli altri canali non guidati quando viene guidato un solo canale. 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. Il layout a bassa distorsione nella Figura 6 mostra che le caratteristiche della seconda distorsione armonica e totale (THD) sono notevolmente migliorate perché l'effetto corrente di terra è quasi eliminato.

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 PCB ad alta frequenza è quella di posizionare il condensatore bypass ad alta frequenza il più vicino possibile al perno di alimentazione del pacchetto. Tuttavia, confrontando le figure 5 e 6, si può vedere che modificare questa regola per migliorare le caratteristiche di distorsione non porterà molti cambiamenti. 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 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.