Công nghệ PCB - Làm thế nào để tránh biến dạng thiết kế PCB

Trong thực tế, PCB bảng mạch in được làm bằng vật liệu tuyến tính điện, có nghĩa là trở kháng của nó phải không đổi. Vì vậy, tại sao PCB giới thiệu phi tuyến tính trong tín hiệu? Câu trả lời là bố cục PCB là "không gian phi tuyến tính" liên quan đến vị trí dòng điện.

Cho dù bộ khuếch đại lấy dòng điện từ nguồn này hay từ nguồn khác phụ thuộc vào sự phân cực tức thời của tín hiệu được áp dụng cho tải. Dòng điện chảy ra từ nguồn điện, đi qua tụ điện bỏ qua và sau đó đi vào tải thông qua bộ khuếch đại. Dòng điện sau đó được trả lại từ mặt đất tải (hoặc lá chắn của đầu nối đầu ra PCB) đến mặt phẳng mặt đất, thông qua tụ điện bỏ qua và sau đó trở lại nguồn cung cấp ban đầu.

Khái niệm dòng điện chạy qua đường trở kháng tối thiểu là không chính xác. Dòng điện trong tất cả các đường trở kháng khác nhau tỷ lệ thuận với độ dẫn của nó. Trong mặt phẳng mặt đất, thường có nhiều hơn một đường dẫn trở kháng thấp, qua đó hầu hết các dòng điện mặt đất chảy: một đường dẫn được kết nối trực tiếp với tụ điện bỏ qua; Một loại khác là kích thích điện trở đầu vào trước khi đến tụ điện bỏ qua.

Khi các tụ điện bypass được đặt ở các vị trí khác nhau trên PCB, dòng điện mặt đất chảy qua các đường dẫn khác nhau đến các tụ điện bypass riêng lẻ, đó là ý nghĩa của "phi tuyến tính không gian". Nếu một phần đáng kể của một thành phần phân cực nhất định của dòng điện mặt đất chảy qua mặt đất của mạch đầu vào, thì điện áp thành phần tín hiệu của phân cực đó sẽ bị nhiễu. Nếu phân cực khác của dòng điện mặt đất không bị xáo trộn, điện áp tín hiệu đầu vào thay đổi theo cách phi tuyến tính. Biến dạng xảy ra khi một thành phần phân cực thay đổi trong khi thành phần kia không, và nó sẽ biểu hiện dưới dạng biến dạng hài hòa thứ cấp của tín hiệu đầu ra.

Khi sóng sin chỉ có một thành phần phân cực bị xáo trộn, dạng sóng kết quả không còn là sóng sin nữa. Sử dụng tải trọng của một hòn đảo 100 để mô phỏng một bộ khuếch đại lý tưởng cho phép dòng tải đi qua điện trở của hòn đảo 1 và ghép nối điện áp mặt đất đầu vào chỉ trên một cực của tín hiệu, sau đó thu được kết quả như trong Hình 3. Biến đổi Fourier cho thấy hầu hết các dạng sóng bị biến dạng đều là sóng hài bậc hai -68dBc. Khi tần số cao, nó rất dễ dàng để tạo ra mức độ khớp nối này trên PCB. Nó có thể phá vỡ các đặc tính chống méo tuyệt vời của bộ khuếch đại mà không cần phải sử dụng quá nhiều hiệu ứng phi tuyến đặc biệt của PCB. Khi đầu ra của một bộ khuếch đại hoạt động bị biến dạng do đường dẫn dòng điện nối đất, dòng điện nối đất có thể được điều chỉnh bằng cách sắp xếp lại các vòng bỏ qua và duy trì khoảng cách từ thiết bị đầu vào.

Làm thế nào để tránh biến dạng thiết kế PCB

Chip đa amp

Vấn đề với chip đa bộ khuếch đại (hai, ba hoặc bốn bộ khuếch đại) phức tạp hơn vì nó không thể giữ kết nối mặt đất của tụ điện bypass cách xa tất cả các đầu vào. Điều này đặc biệt đúng với Quad Amplifier. Chip quad-amp có một đầu vào ở mỗi bên, vì vậy không có chỗ để đặt các mạch bỏ qua có thể giảm nhiễu trên các kênh đầu vào.

Một cách dễ dàng để bố trí bộ tứ khuếch đại. Hầu hết các thiết bị được kết nối trực tiếp với bốn chân ampli. Dòng điện nối đất từ một nguồn có thể gây nhiễu điện áp nối đất đầu vào và dòng điện nối đất từ nguồn cung cấp kênh khác, gây biến dạng. Ví dụ, tụ điện bypass (+Vs) trên kênh 1 của bộ khuếch đại quad có thể được đặt trực tiếp gần đầu vào của nó; Và (-Vs) bỏ qua tụ điện có thể được đặt ở phía bên kia của gói. (+Vs) Dòng điện mặt đất gây nhiễu kênh 1, trong khi điện áp mặt đất (-Vs) thì không.

Để tránh vấn đề này, hãy để dòng điện mặt đất can thiệp vào đầu vào, nhưng hãy để dòng điện PCB chảy theo cách tuyến tính không gian. Để đạt được điều này, một tụ điện bỏ qua có thể được đặt trên PCB bằng cách làm cho (+Vs) và (âVs) dòng điện nối đất chảy qua cùng một đường dẫn. Nếu dòng điện tích cực/tiêu cực gây nhiễu tín hiệu đầu vào bằng nhau, sẽ không có biến dạng. Do đó, hai tụ điện bypass được bố trí cạnh nhau, do đó chúng chia sẻ vị trí kết nối. Vì các thành phần cực của dòng điện mặt đất đến từ cùng một điểm (che chắn đầu nối đầu ra hoặc tải đất) và cả hai đều quay trở lại cùng một điểm (kết nối nối đất chung của tụ điện bỏ qua), cả hai dòng điện dương và âm đều chảy qua cùng một đường dẫn. Nếu điện trở đầu vào của kênh bị nhiễu bởi dòng điện (+Vs), dòng điện của kênh (aVs) có tác dụng tương tự đối với nó. Bởi vì nhiễu là như nhau bất kể phân cực, do đó không có biến dạng, nhưng có những thay đổi nhỏ trong độ lợi của kênh.

Để kiểm tra các suy luận trên, hai bố cục PCB khác nhau được sử dụng: bố cục đơn giản và bố cục biến dạng thấp. Sử dụng bộ khuếch đại bốn chiều FHP3450 của Fairchild, FHP3450 có băng thông điển hình là 210 MHz với độ dốc 1100V/us và dòng bù đầu vào là 100nA và dòng hoạt động là 3,6mA cho mỗi kênh. Như bạn có thể thấy từ Bảng 1, sự biến dạng kênh càng nghiêm trọng thì hiệu quả cải thiện càng tốt, vì vậy hiệu suất của 4 kênh gần như bằng nhau.

Nếu không có bộ khuếch đại quad lý tưởng trên PCB, sẽ rất khó để đo lường hiệu quả của các kênh khuếch đại riêng lẻ. Rõ ràng, một kênh khuếch đại nhất định không chỉ can thiệp vào đầu vào của chính nó mà còn từ các kênh khác. Dòng điện mặt đất chảy qua tất cả các kênh khác nhau và tạo ra các hiệu ứng khác nhau, nhưng tất cả đều bị ảnh hưởng bởi mỗi đầu ra. Hiệu ứng này có thể đo lường được.

Một sóng hài được đo trên các kênh không được điều khiển khác khi chỉ có một kênh được điều khiển. Kênh không được điều khiển hiển thị một tín hiệu nhỏ (crosstalk) ở tần số cơ sở, nhưng trong trường hợp không có bất kỳ tín hiệu tần số cơ sở quan trọng nào, nó cũng tạo ra biến dạng do dòng điện mặt đất trực tiếp gây ra. Cách bố trí biến dạng thấp cho thấy sự cải thiện đáng kể các đặc tính của sóng hài thứ cấp và tổng biến dạng hài hòa (THD) do gần như loại bỏ hiệu ứng dòng điện mặt đất.