전자 설계 - 고조파 왜곡을 줄이는 PCB 설계 방법

다음은 고조파 왜곡을 줄이기 위한 PCB 설계 방법 소개입니다.

고조파 왜곡(THD)은 원시 주파수의 다양한 배수의 유해한 간섭을 말한다.1kHZ의 주파수 신호를 확대하면 2kHZ와 3kHZ의 2차 고조파와 많은 더 높은 고조파가 발생합니다.이론적으로, 이 값은 작을수록 왜곡이 낮습니다.증폭기가 이상적이지 않기 때문에, 증폭된 입력 분량 외에 출력 신호는 일부 2배, 3배, 4배를 추가했다...또는 원본 신호의 더 높은 주파수 컴포넌트 (조파) 로 인해 출력 파형이 변형될 수도 있습니다.이런 고조파로 인한 왜곡을 고조파 왜곡이라고 한다.

사실 인쇄회로기판 (PCB) 은 전기선형재료로 만들어졌는데 다시말하면 그 저항은 고정되여야 한다.그렇다면 PCB가 신호에 비선형을 도입하는 이유는 무엇일까요?답은 전류가 흐르는 곳에 비해 PCB의 설계 배치는"공간 비선형"이다.

증폭기가 이 전원에서 전류를 받는지 아니면 다른 전원에서 전류를 받는지는 부하에 가해지는 신호의 순간극성에 달려 있다.전류는 전원에서 흘러나와 바이패스 콘덴서를 지나 증폭기를 통해 부하로 들어간다.그런 다음 전류는 로드 접지 (또는 PCB 출력 커넥터의 차폐) 에서 접지 평면으로, 바이패스 콘덴서를 통해 원래 전류를 공급하는 전원으로 돌아갑니다.

전류가 최소 임피던스 경로를 통과한다는 개념은 정확하지 않다.다른 모든 임피던스 경로의 전류량은 전도도에 비례합니다.접지 평면에는 일반적으로 하나 이상의 저임피던스 경로가 있으며, 대부분의 접지 전류는 이 경로를 통해 흐른다: 하나의 경로는 바이패스 콘덴서에 직접 연결된다;다른 하나는 바이패스 콘덴서에 도달하기 전에 입력 저항을 자극하는 것입니다.접지 환류가 문제의 진짜 원인이다.

바이패스 콘덴서가 PCB의 다른 위치에 배치될 때 접지 전류는 다른 경로를 통해 각 바이패스 콘덴서로 흐르는데, 이것이 바로"공간 비선형"의 의미이다.만약 접지 전류의 어떤 극성의 분량의 많은 부분이 입력 회로의 땅을 흐른다면, 이 극성의 신호 분량 전압만 간섭을 받을 것이다.접지 전류의 다른 극성이 방해받지 않으면 입력 신호 전압이 비선형으로 변경됩니다.한 극성 컴포넌트가 변경되고 다른 극성 컴포넌트가 변경되지 않으면 왜곡이 발생하며 왜곡은 출력 신호의 2차 고조파 왜곡으로 나타납니다.그림 2는 이러한 왜곡 효과를 과장된 형태로 보여줍니다.

정현파가 극성 컴포넌트 하나만 간섭될 때 발생하는 파형은 더 이상 정현파가 아닙니다.100섬 부하는 이상적인 증폭기를 시뮬레이션하는 데 사용되며, 부하 전류는 1섬 저항기를 통과하고, 입력 접지 전압은 신호의 한 극성으로만 결합된다.왜곡된 파형은 거의 모두 -68dBc의 2차 고조파이다.주파수가 높을 때 PCB에서 이 정도의 결합이 발생하기 쉽다.그것은 증폭기의 우수한 내실진 특성을 파괴할 수 있으며, PCB의 너무 많은 특수한 비선형 효과에 도움을 청할 필요가 없다.단일 연산 증폭기의 출력이 접지 전류 경로로 인해 왜곡되면 바이패스 회로를 재배치하고 입력 장치와의 거리를 유지하여 접지 전류를 조정할 수 있습니다.

멀티앰프 칩

다중 증폭기 칩 (두 개, 세 개 또는 네 개의 증폭기) 의 문제는 더욱 복잡하다. 왜냐하면 바이패스 콘덴서의 접지 연결을 모든 입력 단자에서 멀어지게 할 수 없기 때문이다.특히 4방향 증폭기에 있어서는 그렇다.쿼드 앰프 칩의 각 측면에는 입력 포트가 있기 때문에 입력 채널에 대한 간섭을 줄일 수 있는 우회 회로를 배치할 공간이 없습니다.

대부분의 장치는 네 개의 앰프 핀에 직접 연결됩니다.한 전원의 접지 전류는 다른 채널 전원의 입력 접지 전압과 접지 전류를 방해하여 왜곡을 초래할 수 있다.예를 들어, 4원 증폭기의 채널 1의 (+Vs) 바이패스 커패시터는 입력 근처에 직접 배치할 수 있습니다.또한 (-Vs) 바이패스 콘덴서는 패키지의 반대편에 배치할 수 있습니다.(+Vs) 접지 전류는 채널 1을 방해할 수 있지만 (-Vs) 접지 전압은 그렇지 않을 수 있습니다.

이 문제를 피하기 위해 접지 전류가 입력을 방해하는 것을 허용할 수 있지만 PCB 전류는 공간 선형 방식으로 흐를 수 있다.이를 위해 다음과 같은 방법으로 PCB에 바이패스 커패시터를 배치할 수 있습니다. (+Vs) 및 (– Vs) 접지 전류가 동일한 경로를 통과하도록 할 수 있습니다.양수 / 음수 전류가 입력 신호를 동일하게 방해하면 왜곡이 발생하지 않습니다.따라서 두 개의 바이패스 콘덴서는 서로 인접하도록 배치되어 접점을 공유합니다.접지 전류의 양극 분량은 같은 점 (출력 커넥터 차폐 또는 부하 접지) 에서 왔고 모두 같은 점 (바이패스 커패시터의 공용 접지 연결) 으로 되돌아가기 때문에 양극과 음극 전류는 모두 같은 경로를 거친다.채널의 입력 저항이 (+Vs) 전류의 간섭을 받는 경우 (–Vs) 의 전류는 동일한 영향을 받습니다. 극성과 관계없이 간섭은 동일하므로 왜곡은 없지만 채널 이득은 약간 변경됩니다.

상술한 추론을 검증하기 위하여 간단한 배치와 저왜곡 배치라는 두가지 부동한 PCB설계배치를 사용하였다.Fairchild의 FHP3450 4소켓 연산 증폭기를 사용하여 FHP3450의 일반 대역폭은 210MHz, 기울기는 1100V/us, 입력 오프셋 전류는 100nA, 각 채널의 작동 전류는 3.6mA입니다. 채널의 왜곡이 심할수록 개선 효과가 좋기 때문에 4개 채널의 성능은 거의 같습니다.

PCB에 이상적인 4원 증폭기가 없으면 단일 증폭기 채널의 효과를 측정하기 어렵다.주어진 증폭기 채널은 자신의 입력뿐만 아니라 다른 채널의 입력도 방해하는 것이 분명하다.접지 전류는 모든 다른 채널을 통해 입력되고 다른 효과를 내지만 각 출력의 영향을 받습니다.이런 영향은 측정할 수 있다.

하나의 채널만 구동하는 경우 다른 구동되지 않는 채널에서 측정되는 고조파입니다.구동되지 않는 채널은 기본 주파수에서 작은 신호 (직렬 교란) 를 나타내지만 중요한 기본 주파수 신호가 없는 경우에도 접지 전류에 의해 직접 유입되는 왜곡을 일으킨다.저왜곡 레이아웃: 접지 전류 효과가 거의 제거되었기 때문에 2차 고조파와 총 고조파 왜곡 (THD) 특성이 크게 개선되었습니다.

본문 요약

간단히 말해서, PCB에서 접지 환류는 서로 다른 바이패스 콘덴서 (서로 다른 전원에 사용) 와 전원 자체로 흐르며, 그 크기는 그 전도성과 정비례한다.고주파 신호 전류가 소형 바이패스 콘덴서로 되돌아오다.저주파 전류 (예: 오디오 신호 전류) 는 주로 큰 바이패스 콘덴서를 흐를 수 있습니다.낮은 주파수의 전류도 모든 바이패스 콘덴서의 존재를"무시"하고 전원 코드로 직접 돌아갈 수 있습니다.특정 애플리케이션에서 가장 중요한 현재 경로를 결정합니다.다행히도 출력 측면에서 공용 접지점과 접지 바이패스 콘덴서를 사용함으로써 모든 접지 전류 경로를 쉽게 보호할 수 있다.

고주파 PCB 설계 레이아웃의 황금 법칙은 고주파 바이패스 콘덴서를 가능한 한 패키지된 전원 핀에 가깝게 하는 것이다.왜곡된 특성을 개선하기 위해 규칙을 수정해도 큰 변화가 없습니다.왜곡 특성의 개선은 약 0.15인치의 고주파 바이패스 콘덴서 흔적선을 늘리는 대가로 이루어지지만 FHP3450의 AC 응답 성능에는 거의 영향을 미치지 않는다.PCB 설계 레이아웃은 고품질 증폭기의 성능을 충분히 발휘하는 데 매우 중요하며, 여기서 토론하는 문제는 결코 고주파 증폭기에 국한되지 않는다.오디오와 같은 저주파 신호는 왜곡에 대한 더 엄격한 요구가 있다.접지 전류 효과는 저주파일 때 비교적 작지만, 필요한 왜곡 지수를 상응하게 높여야 한다면 접지 전류는 여전히 중요한 문제일 수 있다.