Подавление шумов в сигнальной цепи методом ее симметрирования

Подавление шумов в сигнальной цепи методом ее симметрирования

Цель симметрирования состоит в том, чтобы сделать равными шумы, наводимые в обоих проводниках СИ. В этом случае они будут представлять собой продольный, или синфазный, сигнал, который будет скомпенсирован в нагрузке. Симметричными являются двухпроводные схемы, в которых оба проводника и все подключенные к ним цепи имеют одинаковый импеданс относительно земли и любого другого проводника.

Симметрирование можно использовать в сочетании с экранированием там, где уровень шумов должен быть ниже уровня, достижимого при использовании только экранирования. Кроме того, в некоторых случаях, симметрирование применяется вместо экранирования иявляется основным методом шумоподавления.

Заземление с симметричным входом относительно земли, рассмотренного выше, или использование дифференциального усилителя (рис.1) является первым шагом на пути к созданию симметричной системы.

Однако в этой схеме усилитель обеспечивает симметричную нагрузку, но источник остается несимметричным из-за наличия сопротивленияRг.

При симметрировании источника относительно земли получается полностью симметричная система. Символически эта схема показана на рис.2.

В качестве проводников в симметричных схемах обычно применяют витые пары или экранированные витые пары, так как они симметричны.

В симметричной схеме использование витой пары может обеспечить защиту как от магнитных, так и от электрических полей без экранирования проводников. Тем не менее, все же желательно применять экраны, так как совершенной симметрии достичь трудно и могут потребоваться дополнительные средства защиты.

Коаксиальный кабель, напротив, имеет несимметричную форму, поэтому для симметричной системы следует брать два коаксиальных кабеля (рис.3).

Чем лучше симметрия схемы, тем большее подавление шумов можно получить. Если было бы возможно достичь совершенной симметрии, шумы не могли бы проникать в систему.

Симметрия системы зависит от симметричности источника, симметричности сигнальных проводов и нагрузки, а также от симметрии любых паразитных импедансов. Между двумя входными проводниками должна быть обеспечена симметрия как по активным, так и по реактивным сопротивлениям, т. е активные и реактивные сопротивления каждого из проводников относительно земли должны быть равны. Величина любых шумов, проникающих в симметричную схему, является функцией степени ее несимметрии и прямо пропорциональна напряжению шумов.

Напряжение шумов можно уменьшить соответствующим экранированием и заземлением, как было рассмотрено в предыдущих разделах, и исключением заземления одного конца схемы.

Симметрия системы зависит от частоты сигнала. Обычно, чем выше частота, тем труднее получить точную симметрию, поскольку на высокой частоте большое влияние на работу схемы оказывает паразитная емкость.

В несимметричной системе линию передачи сигнала можно сделать симметричной при помощи двух трансформаторов (рис.4). Поскольку проводники обычно наиболее чувствительны к наводкам, такая схема может быть очень полезна для уменьшения шумов. Кроме того, трансформаторы разрывают все контуры заземления, устраняя тем самым шумы, вызванные наличием разности потенциалов источника и нагрузки.

Дополнительные методы шумоподавления

Развязка по питанию

В большинстве электронных систем источник питания постоянного тока и система распределения питания являются общими для многих схем. Поэтому очень важно спроектировать систему питания по постоянному току так, чтобы между подключенными к нему схемами не было канала для связи по шумам. Цель системы распределения питания состоит в том, чтобы обеспечить все нагрузки как можно более стабильным напряжением в условиях изменения потребляемых ими токов. Любое изменение тока в нагрузке, не должно создавать переменного напряжения на шинах питания.

Реальные источники питания обладают конечным внутренним сопротивлением. На рис.1 схематически показана типичная схема разводки питания. Источник постоянной э.д.с. (батарея, сетевой источник или преобразователь) соединен с переменной нагрузкой парой проводников.

Параллельно нагрузке может быть также подключен шунтирующий конденсатор развязки С. Внутреннее сопротивление Rг источника питания является функцией стабилизирующих свойств источника питания. Это сопротивление можно уменьшить, улучшив стабилизацию напряжения источника питания. Резистор R представляет собой сопротивление предохранителя; элементы Rл, Lл и Сл – распределенные сопротивление, индуктивность и емкость линии связи, используемой для подключения источника питания к нагрузке; Uш – генератор напряжения с сосредоточенными параметрами, отображающий шумы, наводимые в проводах от других схем. Шунтирующий конденсаторС обладает паразитными сопротивлением Rс и индуктивностью Lс. Резистор Rн является нагрузкой.

Наведенное напряжение шумов Uш можно свести к минимуму, воспользовавшись методами, рассмотренными ранее. Влияние конденсатора развязки обсуждается в одном из следующих разделов.

Рассмотрим метод уменьшения влияния бросков тока и, как следствие, бросков изменения падения напряжения на сопротивлении Rг при внезапных резких изменениях тока, потребляемого нагрузкой. В этом случае влияние конденсатора С. Оно будет рассмотрено позже.

Если принять, что изменение тока в нагрузке произошло мгновенно, то изменение тока в нагрузке произойдет через некоторое время, определяемое скоростью передачи возмущения. Эта скорость является функцией волнового сопротивленияZ0 линии передачи . Тогда изменение напряжения на нагрузке равно .

Предположение о мгновенном характере изменения тока выполняется для цифровых схем, но для аналоговых схем оно не всегда справедливо. Однако даже в случае аналоговых схем волновое сопротивление линии питания от источника постоянного тока можно использовать как критерий для сравнения шумовых характеристик различных систем разводки питания.

Следовательно, чтобы уменьшить шумы в цепи питания, необходимо иметь малое волновое сопротивление линии питания. Для этого нужно иметь большую емкость и малую индуктивность цепи.

Индуктивность можно уменьшить, используя вместо проводника с круглым сечением проводник с прямоугольным поперечным сечением располагая два таких проводника возможно ближе друг к другу. И то, и другое увеличивает также емкость линии. Емкость увеличивается и при изоляции проводников материалом свысоким значением диэлектрической проницаемости.

На рис.2 приведены формулы для определения волнового сопротивления проводников с различной формой сечения при разном взаимном расположении. Эти формулы можно использовать даже тогда, когда указанные неравенства не выполняются. В этом случае получаются завышенные значенияZ0, поскольку в уравнениях не учитываются краевые эффекты.

Значения относительной диэлектрической проницаемости ε различных материалов приводятся в таблице. Оптимальной была бы линия распределения питания, состоящая из возможно более широких плоских параллельных проводников, расположенных как можно ближе один над другим.

Чтобы продемонстрировать трудности, возникающие при попытке получить систему разводки питания с очень низким импедансом полезно разобрать несколько численных примеров. Сначала рассмотрим два провода равного круглого сечения, разнесенные на 1,5 диаметра и разделенные диэлектриком из тефлона. Волновое сопротивление равно .

Если бы диэлектриком был воздух, волновое сопротивление составило бы 115 Ом.

В качестве второго примера возьмем два плоских параллельных проводника толщиной 70 мкм и шириной 1,27 мм, расположенных рядом на печатной плате, изготовленных с применением эпоксидной смолы в качестве наполнителя защитных покрытий. Если при этом расстояние между ними равно 1,27 мм, волновое сопротивление составит .

При воздушном диэлектрике волновое сопротивление было бы равно 131 Ом. Фактически его величина будет находиться где-то между двумя этими значениями, поскольку на печатной схеме часть поля распространяется по воздуху, а часть– по эпоксидной смоле.

Оба приведенных примера являются обычными для практики, и ни одна из рассмотренных в них конфигурация не обеспечивает очень низкого значения волнового сопротивления линии передачи. Однако, если два плоских проводника шириной 6,35 мм расположить один над другим и разделить тонкой (толщиной 127 мкм) майларовой пленкой, волновое сопротивление будет равно , т. е. указанная конфигурация проводников обеспечивает линию разводки питания с очень малым волновым сопротивлением. Выпускаемые шины такого типа пригодны для использования с интегральными схемами, размещаемыми на печатных платах (рис.2).

Трудность создания линии передачи с достаточно малым волновым сопротивлением обычно вынуждает включать на нагрузке между шинами питания развязывающий конденсатор для обеспечения малого импеданса (конденсаторС на рис.1). Хотя эта практика вполне оправдана, однако конденсатор не обеспечивает низкого импеданса на всех частотах из-за наличия у него последовательной индуктивности. Линия же передачи, если она спроектирована правильно, сохраняет низкий импеданс даже на высоких частотах.

Развязывающие фильтры

Для изоляции схемы от источника питания, исключения связи между схемами и отвода шумов источника питания от схемы можно использовать резистивно-емкостные и индуктивно-емкостные цепи развязки. Две такие структуры представлены на рис.3, где конденсаторы, показанные штриховыми линиями, во внимание пока не принимаются.

При использовании нерезонансного RС-фильтра (рис.3,а) падение напряжения на резисторе приводит к тому, что, с увеличением частоты, напряжение питания уменьшается (источник питания шунтируется). Это падение напряженияобычно ограничивает степень фильтрации, достижимую при такой конфигурации.

LС-фильтр на рис.3,б обеспечивает лучшую фильтрацию, особенно на высоких частотах, при тех же потерях напряжения питания. Однако LС-фильтр имеет резонансную частоту , на которой сигнал на выходе фильтра может быть больше, чем в случае, если бы фильтр отсутствовал. Необходимо принять меры, чтобы эта резонансная частота была значительно ниже полосы пропускания схемы, подключенной к фильтру. Коэффициент передачиLС-филътра на резонансной частоте обратно пропорционален декременту затухания: , где R – активное сопротивление индуктивности.

Характеристика LС-фильтра вблизи частоты резонанса показана на рис.4. Чтобы ограничить усиление вблизи резонансной частоты на уровне 2 дБ, декремент затухания должен быть не менее 0,5. При необходимости увеличить затухание последовательно с индуктивностью можно включить дополнительное сопротивление.

Применяемая катушка индуктивности должна также пропускать необходимый для схемы постоянный ток, не входя при этом в насыщение.

В каждую секцию для улучшения фильтрации шумов, поступающих из схемы обратно в источник питания, можно включить дополнительный конденсатор так, как показано штриховыми линиями на рис.3. Это превращает фильтр в П-образную цепь.

С точки зрения подавления шумов рассеивающий RС-фильтр предпочтительнее реактивного LС-фильтра. В рассеивающем RС-фильтре нежелательные шумы превращаются в тепло и как источник шумов устраняются. В реактивном же фильтре шумы только возвращается обратно. Шумы на индуктивности могут излучаться и создать трудности для работы какой-нибудь другой части схемы. Для устранения излучения может потребоваться экранирование индуктивности.

Защита от излучения высокочастотных шумящих элементов и схем

Чтобы защититься от излучения «шумящих» высокочастотных схем, их помещают в металлические экраны. Чтобы эти экраны были эффективны, ко всем проводам, входящим в отсек или выходящим из него, следует подключать фильтры для защиты этих проводов от шумов, наводимых на них за пределами экрана.

На звуковой частоте достаточно обычных развязывающих фильтров, подобных описанным выше фильтрам источников питания. Но, чтобы гарантировать эффективность фильтра на высоких частотах, необходимо принимать специальные меры.

В тех местах, где проводник проходит сквозь экран, следует использовать проходные конденсаторы, а между проводником и землей на конце цепи необходимо включать слюдяной или керамический конденсатор с короткими выводами. Такое соединение, а также три других способа фильтрации шины питания для высокочастотных схем показаны на рис.5.

Экранирование проводника внутри отсека уменьшает шумы, наводимые на проводник. Дополнительную фильтрацию можно обеспечить при помощи П-образного СLС-фильтра, состоящего из двух конденсаторов и одной индуктивности (радиочастотный дроссель). Этот П-образный фильтр можно улучшить, поместив дроссель в отдельный экран, расположенный внутри экранирующего кожуха, с тем, чтобы изолировать его от шумовых наводок. Во всех описанных выше фильтрах выводы конденсаторов и проводники, заземляющие экраны, следует делать как можно короче.

Шумы цифровых схем

Хотя все рассмотренные выше методы шумоподавления применимы как к аналоговым (линейным), так и к цифровым схемам, полезно посмотреть, как некоторые особенности цифровых схем влияют на их шумовые характеристики. Интегральные логические вентили, потребляющие постоянный ток всего лишь в несколько миллиампер, на первый взгляд, не представляются источниками серьезных помех. Однако, если учесть высокую скорость их переключения проблема становится очевидной. Так, например, типичный вентиль ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика) потребляет в состоянии «включен» постоянный ток 5 мА и в состоянии «выключен» 1 мА. Изменение тока при переключении составляет всего лишь 4 мА, но оно происходит за 5 нс. Если провод питания имеет индуктивность 0,5 мкГ, при изменении состояния одного вентиля на проводнике питания возникает напряжение шумов .

Если учесть большое число вентилей, составляющих типичную систему, и если принять во внимание, что такие логические схемы питаются от источника напряжением всего 5 В, становится очевидным, что эти шумы могут составить серьезную проблему.

Когда разработчик имеет дело с импульсными и цифровыми схемами ему полезно иметь хотя бы приблизительное представление о частотном спектре импульсных сигналов. Если известна длительность фронта импульсаtФ, то для оценки максимальной эквивалентной частоты полезно следующее выражение .

Всплески тока и большие зарядные токи обусловлены емкостными нагрузками цифровых схем, хотя бы из-за наличия монтажных и других паразитных емкостей.

поэтому к каждому корпусу интегральной схемы требуется подключать конденсаторы высокочастотной развязки.

В типичных случаях на корпусы между шинами питания ставят конденсаторы емкостью 0,01 – 0,02 мкФ; их следует располагать рядом с корпусами, а не группировать вместе в одной точке печатной платы. Однако для корпусов, которые расположены на печатной плате рядом друг с другом, можно использовать один конденсатор на несколько (до пяти) корпусов.

Кроме того, на каждой печатной плате в месте ввода шин питания следует также ставить дополнительный конденсатор развязки питания емкостью 10– 100 мкФ.

Провода разводки питания необходимо прокладывать таким образом, чтобы линия передачи имела возможно меньший импеданс Z0 ; в этом случае может оказаться полезной шинная оборка, показанная выше на рис.2. Во избежание «звона» (колебаний выходного напряжения около конечного установившегося значения после резкого переключения схемы) соединительные сигнальные проводники между вентилями должны иметь длину не более 15 см. Поскольку быстродействующие логические схемы генерируют высокочастотные колебания, с ними следует обращаться как с высокочастотными схемами.

Каждая печатная плата, содержащая большое число логических схем, должна иметь хорошее заземление.

Заземлением может служить либо шина, обладающая малым сопротивлением, либо заземляющая поверхность, (покрывающая не менее 60% площади печатной платы. Заземляющая поверхность обеспечивает малую индуктивность возвратной земли питания и создает возможность получения полных сопротивлений, независящих от частоты.

Шины питания, применяемые для логики такого типа, следует делать как можно более широкими (не менее 2,5 мм), чтобы свести к минимуму их индуктивность. Надо избегать образования контуров заземления на печатной плате или вне ее.

Чтобы предотвратить нежелательные переключения и генерацию шумов, все незадействованные входы следует подключить к источнику опорного напряжения, а не оставлять их свободными. Обычно эти входы подключаются либо через последовательное сопротивление к положительному источнику питания, либо к земле.

В таблице приведены типичные характеристики различных семейств цифровых интегральных логических схем. В колонке «генерация шумов» схемы оцениваются с точки зрения излучаемых и наводимых шумов. Больше всего шумов генерируют логические схемы ТТЛ, меньше всего– логические схемы с высоким порогом (ВПЛ). Скорость переключения вентиля пропорциональна задержке распространения сигнала, указанной в таблице. Наибольшим быстродействием обладают ЭСЛ-схемы, наименьшим– ВПЛ.

В общем, чем выше скорость переключения, тем больше уровень шумов. Однако в случае ЭСЛ-схем это не так. Из-за симметричной конфигурации схемы вентиля его ток питания один и тот же как в открытом, так и в закрытом состоянии. При переключении вентиля ток не изменяется, и поэтому генерация шумов мала. Широко применяемые ТТЛ-схемы незначительно уступают ЭСЛ-схемам в быстродействии, но генерируют приблизительно в 10 раз большие шумы.

Еще одна важная характеристика цифровых логических схем – их чувствительность к сигналам шумов. Приведенные в таблице данные по запасу помехоустойчивости по постоянному току определяются как величина импульсного напряжения шумов, подача которого на вход вентиля при логическом уровне с наименьшим порогом срабатывания вызывает переключение вентиля. Этот запас помехоустойчивости справедлив для импульсов шумов с длительностью, превышающей задержку распространения сигнала в логической схеме. Для импульсов шумов с длительностью, меньшей задержки распространения, запас помехоустойчивости будет выше, чем приведенный в таблице. Наиболее чувствительны к шумам схемы РТЛ, наименее чувствительны– схемы ВПЛ и КМОП-логики.

Выводы

• Экранировать электрические поля намного легче, чем магнитные.

• Помещение проводников в немагнитные экраны само по себе не обеспечивает магнитного экранирования.

• Экран, заземленный в одной или нескольких точках, дает защиту от электрических полей.

• Основой магнитного экранирования от внешнего магнитного поля является уменьшение площади контура. Для этого используют витую пару или коаксиальный кабель, чтобы ток возврата проходил через экран, а не через шасси заземления.

• В коаксиальном кабеле, заземленном с обоих концов, на частотах выше пятикратной частоты среза экрана фактически весь ток возврата течет по экрану.

• В цепи, заземленной с обоих концов, можно обеспечить лишь частичное экранирование от вешнего магнитного поля, поскольку в этом случае образуется контур заземления.

• Экран, по которому протекают токи шумов, не должен быть частью сигнальной цепи. На низких частотах необходимо использовать экранированную витую пару или триаксиальный кабель.

• На высоких частотах коаксиальный кабель вследствие скин-эффекта действует как триаксиальный.

• Эффективность экранирования витой пары повышается с увеличением числа витков на единицу длины.

• Рассмотренные здесь эффекты экранирования от вешнего магнитного поля справедливы для цилиндрического экрана, ток в котором равномерно распределен по окружности.

• Для предотвращения излучения поля проводником на частоте выше частоты среза экрана применяется экран, заземленный с обоих концов.

• В симметричных системах должны быть сбалансированы как активные, так и реактивные сопротивления.

• Чем лучше баланс, тем меньше шумов будет проникать в систему.

• Для обеспечения дополнительного шумоподавления симметрирование можно применять совместно с экранированием.

• Чем меньше волновое сопротивление цепи разводки питания постоянного тока, тем меньше связь по шумам через эту цепь.

• Поскольку большинство шин питания не обеспечивает малого полного сопротивления, каждая нагрузка должна быть шунтирована развязывающим конденсатором.

• С точки зрения шумов рассеивающий фильтр предпочтительнее реактивного.

• С целью минимизации шумов полосу пропускания системы следует ограничивать до полосы, необходимой для передачи сигнала.

• Быстродействующие цифровые логические схемы из-за высокой скорости их переключения могут быть источником магнитных полей, создающих помехи.

• Цифровые логические схемы со столбовой конфигурацией выхода во время переключения создают для источника питания цепь с малым импедансом.

• У каждого корпуса ИС цифровой логики между шинами питания следует ставить конденсаторы высокочастотной развязки

• Печатные схемы с большим числом корпусов логических ИС должны иметь хорошее заземление.