PCB Tecnico - Come evitare la distorsione della progettazione PCB

Infatti, il PCB del circuito stampato 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 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 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.

Quando i condensatori di bypass sono posizionati in posizioni diverse sul PCB, la corrente di terra 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.

Quando un solo componente di polarità dell'onda sinusoidale viene disturbato, la forma d'onda risultante non è più un'onda sinusoidale. Utilizzare un carico 100Ω per simulare un amplificatore ideale, far passare la corrente di carico attraverso una resistenza 1Ω e accoppiare la tensione di massa in ingresso su una sola polarità del segnale, quindi 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.

Come evitare la distorsione della progettazione PCB

Chip multi-amplificatore

Il problema dei chip multi-amplificatore (due, tre o quattro amplificatori) è più complicato perché non può tenere le connessioni di massa del condensatore bypass lontano 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.

Metodo semplice di layout a quattro amplificatori. 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, i condensatori bypass possono essere posizionati sul PCB nel modo seguente: 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 PCB: layout semplice e layout a bassa distorsione. Utilizzando Fairchild's FHP3450 amplificatore operativo, 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. Si può vedere dalla Tabella 1 che più grave è la distorsione del canale, migliore è l'effetto di miglioramento, in modo che i 4 canali sono quasi uguali nelle prestazioni.

Senza un amplificatore quad ideale sul PCB, sarà 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.

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. Il layout a bassa distorsione mostra che le caratteristiche della seconda distorsione armonica e totale (THD) sono state notevolmente migliorate perché l'effetto corrente di terra è quasi eliminato.