PCB Tecnico - Il layout corretto della scheda PCB può migliorare la gamma dinamica

I moderni amplificatori IC con distorsione armonica estremamente bassa possono migliorare la gamma dinamica in una gamma di applicazioni. Tuttavia, prestare particolare attenzione al layout di questi amplificatori sul circuito stampato, perché il layout improprio del circuito stampato può deteriorare le prestazioni di distorsione di 20dB.

Una tipica struttura di amplificatore ad alta velocità include due set di condensatori bypass. La capacità di un insieme di condensatori è più grande (circa 1mF a 10mF), e l'altro insieme è diversi ordini di grandezza più piccoli (1nF a 100nF). Questi condensatori possono fornire un percorso di massa a bassa impedenza alle frequenze in cui l'attenuazione di potenza dell'amplificatore è relativamente bassa. Il bypass corretto di un amplificatore ad alta velocità richiede solitamente due o più insiemi di condensatori, perché prima del limite superiore della larghezza di banda dell'amplificatore, una banca di condensatori con una capacità maggiore generalmente si auto-risonera. I condensatori chip di alta qualità sono condensatori di disaccoppiamento ideali perché hanno induttanza molto inferiore rispetto ai condensatori passanti.

La resistenza RT viene utilizzata per terminare l'ingresso dell'amplificatore per abbinare l'impedenza della sorgente all'impedenza dello strumento di prova utilizzato per la misura. Nei circuiti di applicazione che non utilizzano linee di trasmissione, non sono necessarie resistenze di terminazione. Il carico di azionamento in uscita dell'amplificatore nella figura è RL, e RL rappresenta qualsiasi carico possibile da guidare dall'amplificatore. Quando la tensione di uscita dell'amplificatore è positiva,

l'amplificatore deve fornire corrente per RL. Allo stesso modo, quando la tensione di uscita è negativa, l'amplificatore deve affondare la corrente. Se l'amplificatore assorbe la corrente attraverso il carico o fornisce corrente al carico, deve esserci un percorso affinché la corrente ritorni all'alimentazione elettrica. Quando la corrente ritorna, verrà selezionato il canale con l'impedenza più bassa.

Nel caso di alta frequenza, il percorso di impedenza più basso è attraverso il condensatore bypass. Quando l'amplificatore alimenta o assorbe corrente ad alta frequenza, la corrente scorre attraverso più cicli. Il terminale di terra del condensatore bypass upstream fornisce corrente per l'amplificatore op, e la corrente di assorbimento dell'amplificatore op è messa a terra attraverso il condensatore bypass downstream. Ogni corrente ad alta frequenza che scorre attraverso il condensatore di bypass è rettificata a mezza onda. La chiave per un bypass efficace è capire come fluisca corrente ad alta frequenza.

Il circuito mostrato include un amplificatore ad alta velocità che aziona un carico equivalente di 1kΩ . Il carico forma un attenuatore, e una terminazione inversa 50Ω è necessaria per il test. L'ingresso è inoltre terminato a 50Ω per corrispondere alla sorgente di segnale utilizzata. I risultati della misurazione della distorsione variano per i diversi layout del circuito. Analizzando il ciclo di corrente ad alta frequenza del layout del circuito aiuterà a chiarire le differenze in queste seconde distorsioni armoniche.

Significa una situazione peggiore. L'alimentazione elettrica si trova sul retro del circuito stampato, il che significa che il condensatore di bypass deve essere collegato all'alimentazione tramite un foro passante (un foro passante da uno strato del circuito stampato a un altro strato). Questi vias aumentano l'induttanza del ciclo di corrente ad alta frequenza. Quando l'amplificatore assorbe la corrente, ritorna a C2 e C4 attraverso un piano di terra solido. Tuttavia, quando l'amplificatore fornisce corrente, la corrente deve passare attraverso due serie di vias induttivi prima di tornare a C1 e C3.

Alle alte frequenze, queste induttanze possono aggiungere notevole impedenza. Quando la corrente ad alta frequenza passa attraverso queste impedenze, viene generata una tensione di errore. Poiché la corrente ad alta frequenza è rettificata a mezza onda, anche la tensione di errore è rettificata a mezza onda. Il segnale rettificato a mezza onda trasporta un gran numero di componenti armoniche dispari, che causeranno una seconda distorsione armonica, mentre la terza armonica rimane invariata.

Al contrario, si tratta di un layout migliorato. L'alimentazione elettrica è bypassata sul lato anteriore del circuito stampato, quindi il condensatore bypass non ha bisogno di utilizzare fori passanti. Inoltre, il terreno di carico è vicino alle due reti di disaccoppiamento, quindi non c'è bisogno di un foro passante sul canale in cui l'amplificatore alimenta e assorbe corrente ad alta frequenza. Questo metodo migliorato di layout del circuito stampato migliora il secondo indice di distorsione armonica da 3dBc a 18dBc. E questo miglioramento è applicabile a varie frequenze.

bypass differenziale

Il metodo bypass è utile per evitare problemi di messa a terra. Può essere modificato in modo che un set di condensatori bypass (C1 e C3) sia collegato attraverso l'alimentazione elettrica, mentre l'altro set di condensatori bypass (C2 e C4) sia ancora collegato tra l'alimentazione elettrica e la terra.

Questa struttura può realizzare convenientemente la messa a terra vera del condensatore bypass e il carico sul circuito stampato. La messa a terra completa del carico e del condensatore bypass può ridurre al minimo l'induttanza tra i due punti di messa a terra, riducendo così la tensione di errore formata dalla corrente di terra ad alta frequenza. Inoltre, la corrente ad alta frequenza è integrata prima di tornare al carico o entrare nel carico e non ci saranno problemi di rettifica a mezza onda nel caso di bypass standard e difficilmente conterrà componenti armonici dispari. Pertanto, la tensione di errore generata nel canale corrente non aumenta la distorsione.

L'applicazione di questa tecnica a un layout PCB con bypass povero può migliorare significativamente la distorsione. Tenete presente che la traccia del condensatore bypass dovrebbe essere il più breve possibile e cercate di non usare i vias. Quando si utilizzano i vias, tenere presente che l'induttanza di due vias paralleli è solo la metà dell'induttanza di una singola via. Quando il diametro del foro passante è aumentato, anche l'induttanza del foro passante diminuirà. Questo metodo si è dimostrato particolarmente utile quando la rete di feedback deve essere messa a terra e il guadagno a circuito chiuso è maggiore di uno. In questo caso, la rete di feedback è una parte efficace del carico dell'amplificatore. La corrente ad alta frequenza che scorre attraverso la rete di feedback ritorna anche all'alimentazione attraverso il condensatore bypass. Pertanto, è anche necessario determinare il metodo di messa a terra della rete di feedback per ridurre al minimo l'aumento dell'induttanza del condensatore bypass.