Дизайн и компоновка печатной платы усилителя

Принцип разбиения усилителей по классам.

Усилители класса А (рисунок 1) из-за своей конструкции являются самыми простыми из всех перечисленных раннее. По сути усилитель класса А — это биполярный транзистор с общим эмиттером (или полевой транзистор с общим истоком) с углом проводимости сигнала 360º. Стоит отметить что транзистор всегда открыт и через него постоянно течёт ток. Чтобы транзистор был всегда открытым, задаётся ток смещения на базе. Значение тока смещения подбирается таким образом, чтобы транзистор работал в области линейного усиления с минимальными (полностью отсутствующими в идеальном случае) искажениями. Это его главное преимущество и недостаток одновременно, так как выходной сигнал получается практически неискажённым, но потери энергии при использовании такого усилителя самые большие (в сравнении с другими классами). Эффективность усилителей класса А из-за непрерывной работы крайне низкая и может падать до значений в 25 %, что делает такие модели непригодными для усиления сигналов высоких мощностей. Также данный класс предъявляет большие требования к источнику питания: сигнал от источника питания должен быть отфильтрован, потому что транзистор находится в открытом состоянии постоянно и любые помехи от источника питания усиливаются и передаются на выход.

Усилитель класса В в значительной мере снижает тепловые потери и повышает эффективность, но уступает при этом по параметру линейности выходного сигнала классу А. С целью решить обе проблемы был разработан усилитель класса АВ (усилитель класса АВ), который совмещает в себе оба этих режима и является наиболее распространённым классом линейного усилителя. В усилителе класса АВ рабочая точка транзисторов выбирается таким образом, чтобы угол проводимости транзисторов был в пределах от 180° до 360° (в большинстве случаев угол незначительно превышает 180°). Таким образом каждый транзистор усиливает не ровно половину сигнала до пересечения нулевого значения, а чуть больше, и искажение выходного сигнала сглаживается, поскольку сигнал усиливается целиком без скачков и провалов, связанных с переключением транзисторов. Для того чтобы добиться включения необходимого режима транзисторов к базам (затворам) подключаются несколько диодов и/или резисторов. Среднее значение эффективности таких усилителей примерно такое же, как и у класса В — порядка 50 %, но они сильно выигрывают по качеству и чистоте выходного сигнала. Благодаря этим свойствам, а также относительной простоте конструкции и отладки, данный класс линейных усилителей используется наиболее часто. Наиболее широкое применение усилители АВ находят в аудиоусилителях, поскольку при достаточно высоких показателях эффективности они могут дать на выходе неискажённый сигнал.

Рис. 3. Схема усилителя класса АВ и выбор рабочей точки транзистора

Усилители А, В и АВ иногда называют линейными потому, что их амплитуда и фаза их выходного сигнала связана линейной зависимостью с амплитудой и фазой входного сигнала Класс С в свою очередь нельзя назвать линейным согласно приведённому выше критерию, но в ключевом режиме он также не работает. Метод же управления транзистором в классе С такой же: выбор нужной рабочей точки транзистора с помощью установки смещения на базе (затворе). Таким образом усилитель класса С относится к той же подгруппе, что и описанные ранее классы. Из всех усилителей этой подгруппы класс С достигает наивысших значений эффективности, однако при этом выходной сигнал очень сильно искажается. На базе транзистора класса С задаётся такое смещение, чтобы он был закрыт больше половины периода входного сигнала. Иными словами угол проводимости транзистора в классе С задаётся в интервале от 0° до 180°. Поскольку большую часть времени транзистор закрыт, то и потери на нём минимизированы, а эффективность благодаря этому может достигать 100 % в идеальном случае. Из-за сильного искажения выходного сигнала усилители класса С не используются в аудиоусилителях, но они находят широкое применение в высокочастотных генераторах синусоидальных сигналов и некоторых типах радиочастотных усилителей, где импульсы тока, создаваемые на выходе усилителя, могут быть преобразованы в полный синусоидальный сигнал определённой частоты за счёт резонансного L-C контура, подключённого к выходу усилителя.

Рис. 4. Схема усилителя класса С и выбор рабочей точки транзистора

При классификации усилителей по режиму работы транзистора выделяют две основные большие группы: управляемые смещением на базе/затворе и ключевые усилители. В первой группе класс определяется выбором угла проводимости через установку рабочей точки транзистора. Для усилителей класса А угол проводимости равен 360° и характерны крайне низкая эффективность (может падать до 25 %) и линейное усиление без искажений выходного сигнала. Усилители класса В имеют угол проводимости 180°, эффективность порядка 50 % за счёт двухтактной системы усиления сигнала. Однако, такая система вносит нелинейные искажения в сигнал в области пересечения нулевого значения. В усилителях класса АВ угол проводимости берётся несколько больше 180° (конкретное значение зависит от параметров схемы), эффективность порядка 50-60 %, а нелинейные искажения в области нуля, характерные для класса В, полностью отсутствуют (для идеального случая). Усилители класса С определяются углом проводимости транзистора от 0° до 180°, эффективность в среднем 70-80 %, но сигнал претерпевает сильные нелинейные искажения. Усилитель класса А используется редко ввиду малой эффективности, но простота его реализации может сделать его выбор оправданным для схем с малыми мощностями. Классы В и АВ очень широко применяются в звуковых усилителях из-за одновременно хороших показателей эффективности и линейности сигнала. Усилитель класса С применяется в высокочастотных генераторах или радиоусилителях с использованием резонансного L-C контура.

Рис. 5. Классы усилителей и соответствующие им средние значения эффективности и угла проводимости

Использование печатных плат в схемах усилителей низкой частоты

Перекрестные помехи

Перекрестная помеха (или явление «перетекания» сигнала из одного канала в другой, электрические наводки, вызванные прохождением сигнала в соседних проводах) характеризуется, прежде всего, источником сигнала (которым может служить любое комплексное сопротивление) и приемником, обычно имеющим более высокое значение комплексного сопротивления, или потенциал виртуальной, «плавающей» земли. Когда обсуждаются перекрестные помехи в каналах связи, обычно передающий и принимающий каналы называются соответственно речевым и неречевым каналами.

Перекрестные помехи возникают и проявляются в различном облике:

1. Емкостные перекрестные помехи являются следствием близкого расположения в пространстве двух электрических проводников и могут быть представлены с использованием виртуального ( или эффективного) конденсатора, соединяющего две цепи. Емкость такого конденсатора возрастает с увеличением частоты пропорционально значению 6 дБ/октаву, хотя возможны и более высокие скорости увеличения емкости. Экранирование проводников любым проводящим материалом полностью решает проблему, хотя увеличение расстояния между такими проводниками оказывается менее дорогостоящим способом.
2. Резистивные перекрестные помехи возникают по той простой причине, что сопротивление шин заземления отличается от нулевого значения. Медь при комнатной температуре не является сверхпроводником. Резистивные перекрестные помехи не зависят от частоты.
3. Индуктивные перекрестные помехи редко представляют проблему при разработке аудиоаппаратуры; они могут возникать при опрометчивой установке двух низкочастотных трансформаторов слишком близко друг к другу, но помимо этого случая об этой проблеме обычно можно и забыть. Существенным исключением из этого правила является низкочастотный усилитель мощности класса В, в котором токи, протекающие по шинам питания, имеют форму полусинусоид и которые могут серьезно отразиться на уровне искажений усилителя, если им будет позволено взаимодействовать с цепями входного сигнала, контуром обратной связи или цепями выходного каскада.

В большей части линейных низкочастотных цепей основной причиной перекрестных помех является нежелательная емкостная связь между различными цепями схемы, и в подавляющем большинстве случаев она определяется рисунком (трассировкой) проводов и токопроводящих дорожек печатной платы. В противоположность этому усилители мощности класса В страдают практически в незначительной или даже в пренебрежимо малой мере от перекрестных помех, вызванных емкостными эффектами, так как полные комплексные сопротивления цепей стремятся сделать небольшими, а расстояния между ними достаточно большими; гораздо большую проблему представляет индуктивная связь между шинами, по которым протекают токи питания, и цепями, по которым проходит сигнал. Если такая связь возникает между цепями одного канала, то она проявляется в виде искажений и может привести к значительной нелинейности характеристик усилителя. Если это взаимодействие распространяется на другой (неречевой) канал, то она проявится в виде перекрестных помех искаженного сигнала. В любом случае такая связь крайне нежелательна и для предотвращения ее появления должны быть предприняты специальные меры.

Трассировка печатной платы только один элемент этой борьбы, так как перекрестные помехи должны каким-то образом не только излучаться, но также и где-то приниматься. Как правило, источником максимального излучения будут собственные, внутренние электрические провода благодаря их общей длине и распространенности, схема трассировки проводов, возможно, будет наиболее критичной для достижения наилучших рабочих характеристик, поэтому для их закрепления необходимо использовать различные фиксаторы, кабельные зажимы и т.п. В качестве принимающего устройства выступают чаще всего входные цепи и цепи обратной связи, которые также располагаются на печатной плате. Для хорошей работы устройства необходима проработка этих вопросов с точки зрения максимальной защищенности от излучения.

Искажения, вызванные наводками шин питания

По шинам питания усилителя мощности класса В протекают очень большие и очень искаженные по форме токи. Как уже подчеркивалось ранее, если за счет индукции будет допущено их взаимодействие на цепи, по которым проходит акустический сигнал, то уровень искажений резко возрастет. Это относится к проводникам печатной платы, а точно так же к кабельным соединениям, грустная правда заключается в том, что достаточно просто изготовить печатную плату усилителя, которая будет абсолютно идеальной во всех отношениях, за исключением только этого одного требования, и единственным решением будет использование второй платы. Все же для получения оптимального результата следует руководствоваться следующими требованиями:

1. Необходимо свести у минимуму электромагнитное излучение от шин питания, расположив шины положительного и отрицательного напряжений настолько близко друг от друга, насколько это возможно физически. Их следует располагать как можно дальше от входных цепей каскада усилителя и соединительных выходных клемм; лучшим методом будет подводить провода шин питания к выходному каскаду с одной стороны, а остальные провода усилителя – с другой. Затем следует проложить провода от выхода, чтобы питать остальную часть усилителя; по ним уже не будет проходить ток, имеющий однополупериодную форму, поэтому он не вызовет проблем.
2. Необходимо свести у минимуму поглощение электромагнитного излучения шин питания, сведя к минимуму площадь контуров, охватываемых проводами входной цепи и цепи обратной связи. Они образуют замкнутые контуры через землю, поэтому площадь контуров, охватываемых ими, должна быть минимальной. Достаточно часто наилучший результат может быть получен путем максимального пространственного разнесения и прокладывания проводов входных цепей и контура обратной связи поперек дорожки НЧ заземления, которая проходит через центр печатной платы от входной до выходной точки контура заземления. Индуктивные искажения также могут встречаться при взаимодействии с выходными проводами и проводами выходного заземления. Последний случай представляет достаточно серьезную проблему, так как обычно трудно изменить его положение в пространстве без обновления самой печатной платы.

Установка выходных полупроводниковых приборов

Наиболее важное принципиальное решение заключается в том, стоит ли устанавливать мощные выходные приборы на основной печатной плате усилителя. Существует ряд сильнейших аргументов в пользу такого решения, но, тем не менее, не всегда такой выбор является наилучшим.

Преимущества:

1. Печатная плата усилителя может быть рассчитана таким образом, чтобы сформировать конструктивно законченный блок, который может быть тщательно проверен до того, как он будет установлен на шасси. Такой подход значительно облегчает тестирование, так как обеспечен доступ к различным точкам схемы со всех сторон; он также устраняет вероятность поверхностных повреждений самой печатной платы (царапины и т.п.) во время проверки.
2. Исключено неправильное подключение выходных полупроводниковых приборов при условии, что необходимые полупроводниковые приборы установлены в правильных положениях. Это достаточно существенный аргумент, так подобные ошибки обычно выводят из строя выходные полупроводниковые приборы, а также приводят к другим негативным эффектам, развивающихся по принципу падающих костяшек домино, и на исправление которых потребуется большое количество времени (и средства).
3. Все соединительные провода, ведущие к выходным полупроводниковым приборам, должны быть как можно короче. Это помогает увеличить устойчивость выходного каскада и противостоять возникновению ВЧ колебаний.

Недостатки:

1. Если выходные приборы усилителя требуют частой замены (что со всей очевидностью говорит о какой-то очень серьезной недоработке), то повторяющаяся операция по перепаиванию повредит дорожки печатной платы. Однако если случилось самое худшее, то поврежденный участок может быть всегда заменен коротким проводником, поэтому нет необходимости отправлять печатную плату в утиль; будьте уверены, всегда возможно осуществление подобного варианта ремонта.
2. Вполне возможно, что выходные полупроводниковые приборы могут нагреваться очень сильно, даже если они работают в номинальных режимах; для приборов типа ТО3 температура корпусов 90 °С не является чем-то необычным. Если используемый метод монтажа не допускает некоторой степени упругости, то тепловое расширение может привести к возникновению механических усилий, которые способны оторвать крепежные прокладки печатной платы.
3. Теплоотводящий радиатор будет иметь, как правило, значительные размеры и массу. Поэтому необходимо применять достаточно жесткую конструкцию, крепящую печатную плату и радиатор. В противном случае вся конструкция из-за отсутствия достаточной жесткости будет при транспортировке вибрировать, создавая избыточные усилия в местах пайки соединений.

Рекомендации по компоновке печатной платы усилителя

1. Определите опорные отверстия, которые подходят для производственного процесса. Опорные отверстия на плате используются для выбора и размещения электронных компонентов и тестовых приспособлений. Они должны удовлетворять процессу изготовления печатных плат. Тем не менее, отверстия или точки должны быть удалены от компонентов и не должны закрываться никакими предметами.
2. Обеспечьте достаточную площадь платы для разводки схемы. Прежде чем приступить к общему проектированию печатной платы, следует принять во внимание размер используемой платы. Это определяет количество компонентов, которые плата может вместить.
3. Определите необходимое количество слоев.  На ранних этапах проектирования следует определить количество проводящих слоев. Большее количество слоев обеспечивает пространство для большего количества дорожек.
4. Определите метод крепления компонентов на плате. Это определит расстояние между компонентами на печатной плате, следствием чего будет понятен конечный размер платы.
5. Нарисуйте общий план расположения различных компонентов и областей компонентов. Это упрощает первоначальный этап проектирования и расчётов.
6. Рекомендации по проектированию печатных плат в соответствии с используемыми слоями и их количеством. Общее правило состоит в том, что силовые или заземляющие шины могут использоваться как в цельной пластине, так и в слоях. Целесообразнее определить наиболее эффективный способ на ранних этапах проектирования топологии печатной платы. Подумайте, будет ли для усилителей использоваться цельная пластина. Преимущество заключается в том, что пластина снижает шум при одновременном повышении силы тока и мощности. Избегайте отдельных частей платы с пластиной. При тепловой нагрузке повышается риск деформации платы в участках где проходит край частичной пластины.
7. Рекомендации по трассировке  платы. Определите стандартную ширину дорожки, которая будет использоваться. Толщина и профиль дорожек определяет максимальную величину тока для этой  дорожки, а также размер выделяемого тепла. Решение о подходящей конструкции стандартной дорожки следует принимать на ранних стадиях проектирования печатной платы усилителя.  Следует отметить, что использование слишком узких дорожек, расположенных слишком близко друг к другу, увеличивает вероятность короткого замыкания в печатной плате. С другой стороны, использование слишком широких и далеко расположенных дорожек уменьшает количество компонентов, которые можно разместить на печатной плате, а также вызывает необходимость в дополнительных плоскостях.
8. Определите формы контактных площадок печатной платы. Формы определяют количество устанавливаемых компонентов, систему монтажа и даже условия пайки.
9. Тепловыделение. Тепловые проблемы стали более чувствительными в современных печатных платах высокой плотности компоновки. Таким образом, фактор теплоотдачи необходимо также в первую очередь учитывать на этапе проектирования печатных плат. Более нагруженные схемы и меньшие дорожки используют больше компонентов на одной печатной плате. Это увеличивает шансы на нагрев. Обеспечьте достаточно места для охлаждения вокруг горячих частей. Следует оставлять больше места между используемыми радиаторами или между компонентами печатной платы. Область между ними способствует воздушному потоку, что улучшает теплопередачу и, следовательно, охлаждение.
10. Целостность сигнала и отсутствие помех. Вы можете исправить многие конструктивные особенности, связанные с целостностью сигнала, путем правильной разводки дорожек. Кроме того, вам следует избегать или исключать параллельные дорожки. В большинстве случаев параллельные дорожки вызывают перекрестные помехи. То есть сигналы на одной дорожке появятся на соседней дорожке. Когда дорожки должны пересекаться, сделайте так, чтобы они пересекались под прямым углом. Пересекающиеся под прямым углом дорожки уменьшают перекрестные помехи, емкость и взаимную индуктивность между линиями.

Что предлагает ИнПромСинтез

Быстрое выполнение работ

• У нас очень быстрое время обработки запросов от клиентов - от проектирование до изготовления прототипа или рабочего образца платы.
• Широкий выбор параметров
• Для изготовления плат ИнПромСинтез использует широкий выбор различных параметров. Он включает в себя тип материала печатной платы, который Вы хотите использовать, отделку поверхности. А также опции для добавления уникальных идентификаторов для ваших плат.
• Наше производство также может производить платы до 32 слоев.

Система онлайн заказа

Наконец, сайт ИнПромСинтез позволяет вести заказ платы полностью в онлайн режиме, где производится подгрузка файлов проекта, согласование замены компонентов, а также автоматический расчёт цены Вашей печатной платы. Это происходит после того, как Вы загрузите файлы Gerber и введете необходимые данные.

Наше производство печатных плат предлагает идеальный баланс между ценой и качеством и множеством вариантов изготовления, которые могут подходить для высоковольтных плат.