Conception électronique - Méthode de conception de PCB pour réduire la distorsion harmonique

Voici une introduction aux méthodes de conception de PCB pour réduire la distorsion harmonique.

La distorsion harmonique (THD) se réfère à l'interférence nocive de divers multiples de la fréquence d'origine. Lors de l'amplification du signal de fréquence de 1kHZ, la deuxième harmonique de 2kHZ et 3kHZ et de nombreuses harmoniques supérieures seront générées. En théorie, plus la valeur est petite, plus la distorsion est faible. Parce que l'amplificateur n'est pas assez idéal, en plus des composants d'entrée amplifiés, le signal de sortie ajoute également environ 2 fois, 3 fois, 4 fois. ... ou même des composants de fréquence supérieure (harmoniques) du signal d'origine, ce qui entraîne une forme d'onde de sortie hors forme. Ce type de distorsion causée par les harmoniques est appelée distorsion harmonique.

En fait, la carte de circuit imprimé (PCB) est faite de matériaux électriques linéaires, c'est-à-dire que son impédance doit être constante. Alors, pourquoi les PCB introduisent-ils la non-linéarité dans le signal? La réponse est: par rapport à l'endroit où le courant circule, la conception du PCB est "spatialement non linéaire".

Le fait que l'amplificateur puise du courant de cette source d'alimentation ou d'une autre dépend de la polarité instantanée du signal appliqué à la charge. Le courant provient de l'alimentation, traverse le condensateur de contournement et pénètre dans la charge à travers l'amplificateur. Ensuite, le courant retourne de la masse de charge (ou du bouclier du connecteur de sortie PCB) au plan de masse, passe à travers le condensateur de dérivation et retourne à la source d'alimentation qui a fourni le courant à l'origine.

Le concept de courant qui traverse le chemin de la moindre impédance est incorrect. La quantité de courant dans toutes les différentes voies d'impédance est proportionnelle à sa conductivité. Dans un plan de masse, il existe souvent plus d'un chemin à faible impédance à travers lequel circule une grande proportion du courant de masse: un chemin est directement relié au condensateur de dérivation; l'autre est de stimuler la résistance d'entrée avant d'atteindre le condensateur de contournement. Le courant de retour au sol est la vraie cause du problème.

Lorsque les condensateurs de dérivation sont placés en différentes positions sur la PCB, le courant de masse circule vers les condensateurs de dérivation respectifs par différents chemins, ce qui signifie "non linéarité spatiale". Si une grande partie de la composante d'une certaine polarité du courant de masse traverse la masse du circuit d'entrée, seule la tension de la composante de cette polarité du signal sera perturbée. Si l'autre polarité du courant de masse n'est pas perturbée, la tension du signal d'entrée change de manière non linéaire. Lorsque l'une des composantes de polarité est changée et l'autre n'est pas changée, une distorsion se produira et apparaîtra comme la seconde distorsion harmonique du signal de sortie. La figure 2 montre cet effet de distorsion sous une forme exagérée.

Lorsque seule une composante de polarité de l'onde sinusoidale est perturbée, la forme d'onde résultante n'est plus une onde sinusoidale. Une charge de 100 Ω est utilisée pour simuler un amplificateur idéal, le courant de charge est passé à travers une résistance de 1 Ω et la tension de masse d'entrée est couplée à une seule polarité du signal. La forme d'onde déformée est presque entièrement la seconde harmonique à -68dBc. Lorsque la fréquence est élevée, il est facile de générer ce degré de couplage sur le PCB. Il peut détruire les excellentes caractéristiques anti-distorsion de l'amplificateur sans avoir recours à trop d'effets spéciaux non linéaires du PCB. Lorsque la sortie d'un seul amplificateur opérationnel est déformée en raison du trajet de courant de masse, le flux de courant de masse peut être ajusté en réarrangeant la boucle de contournement et en gardant la distance du dispositif d'entrée.

Puce multi-amplificateur

Le problème des puces multi-amplificateurs (deux, trois ou quatre amplificateurs) est plus compliqué car elle ne peut pas maintenir les connexions à la terre des condensateurs de dérivation loin de toutes les bornes d'entrée. Ceci est particulièrement vrai pour les amplificateurs quad. Chaque côté de la puce à quatre amplificateurs a une borne d'entrée, de sorte qu'il n'y a pas de place pour un circuit de contournement qui peut réduire la perturbation du canal d'entrée.

La plupart des appareils sont directement connectés aux quatre broches d'amplificateur. Le courant de masse d'une alimentation peut perturber la tension de masse d'entrée et le courant de masse de l'autre alimentation canal, provoquant une distorsion. Par example, le condensateur de contournement (+Vs) sur le canal 1 de l'amplificateur quad peut être placé directement près de son entrée; et le condensateur de contournement (-Vs) peut être placé de l'autre côté de l'emballage. Le courant de masse (+Vs) peut perturber le canal 1, tandis que le courant de masse (-Vs) ne le peut pas.

Pour éviter ce problème, le courant de masse peut être laissé perturber l'entrée, mais le courant de PCB peut circuler de manière spatialement linéaire. Pour y parvenir, vous pouvez utiliser la méthode suivante pour mettre en place des condensateurs de contournement sur le PCB: faire circuler les courants de masse (+Vs) et (-Vs) sur le même chemin. Si la perturbation du courant positif/négatif au signal d'entrée est égale, il n'y aura pas de distorsion. Par conséquent, les deux condensateurs de dérivation sont disposés à côté l'un de l'autre de manière à partager un point de sol. Parce que les deux composantes polaires du courant de masse proviennent du même point (le bouclier du connecteur de sortie ou la masse de charge) et retournent toutes les deux au même point (la connexion à terre commune du condensateur de dérivation), les courants positifs et négatifs circulent sur le même chemin. Si la résistance d'entrée d'un canal est perturbée par le courant (+Vs), le courant (â ¢ Vs) a le même effet sur lui. Car quelle que soit la polarité, les perturbations sont les mêmes, il n'y aura donc aucune distorsion, mais un petit changement dans le gain du canal se produira.

Afin de vérifier l'inférence ci-dessus, deux agencements de conception de PCB différents sont utilisés: agencement simple et agencement à faible distorsion. En utilisant l'amplificateur opérationnel quad FHP3450 de Fairchild, la bande passante typique du FHP3450 est de 210MHz, la pente est de 1100V/us, le courant de polarisation d'entrée est de 100nA et le courant de fonctionnement par canal est de 3,6mA. Plus la distorsion du canal est sévère, meilleur est l'effet d'amélioration, de sorte que les 4 canaux sont presque égaux en performance.

S'il n'y a pas d'amplificateur quad idéal sur le PCB, il sera difficile de mesurer l'effet d'un seul canal d'amplificateur. Évidemment, un canal d'amplificateur donné ne perturbe pas seulement sa propre entrée, mais aussi les entrées d'autres canaux. Le courant de masse traverse toutes les différentes entrées de canal et produit des effets différents, mais ils sont tous affectés par chaque sortie. Cet effet est mesurable.

Lorsque seul un canal est piloté, les harmoniques mesurées sur les autres canaux non pilotés. Le canal non entraîné présente un petit signal (crosstalk) à la fréquence fondamentale, mais sans aucun signal fondamental important, il produit également une distorsion directement introduite par le courant au sol. Affichage de mise en page à faible distorsion: Comme l'effet de courant au sol est presque éliminé, les caractéristiques de la deuxième distorsion harmonique et de la distorsion harmonique totale (THD) ont été grandement améliorées.

Résumé de cet article

En termes simples, sur le PCB, le courant de retour au sol traverse différents condensateurs de contournement (pour différentes sources d'alimentation) et l'alimentation elle-même, et sa taille est proportionnelle à sa conductivité. Le courant de signal haute fréquence retourne au petit condensateur de contournement. Les courants à basse fréquence (tels que les courants de signal audio) peuvent principalement traverser des condensateurs de contournement plus grands. Même les courants de fréquence inférieure peuvent "ignorer" l'existence de tous les condensateurs de contournement et revenir directement aux fils d'alimentation. L'application spécifique déterminera quel chemin courant est le plus critique. Heureusement, en utilisant un point de masse commun et un condensateur de contournement de masse du côté de sortie, tous les chemins de courant de masse peuvent être facilement protégés.

La règle d'or de la conception de PCB haute fréquence est de placer le condensateur de contournement haute fréquence le plus près possible de la broche d'alimentation du paquet. Modifier cette règle pour améliorer les caractéristiques de distorsion n'apportera pas beaucoup de changement. L'amélioration des caractéristiques de distorsion vient au coût de l'ajout d'environ 0,15 pouces de traces de condensateur de contournement haute fréquence, mais cela a peu d'effet sur la performance de réponse AC du FHP3450. La mise en page de conception de PCB est très importante pour donner pleinement à la performance d'un amplificateur de haute qualité, et les questions discutées ici ne se limitent en aucun cas aux amplificateurs haute fréquence. Les signaux de fréquence inférieure comme l'audio ont des exigences beaucoup plus strictes pour la distorsion. L'effet du courant au sol est plus faible aux basses fréquences, mais si l'indice de distorsion requis doit être amélioré en conséquence, le courant au sol peut toujours être un problème important.