1
Содержание.
-Введение
-Шумы усилителей
происхождение и виды шумов
-Помехи:экранирование и заземление
1.Помехи
2.Сигнальное заземление
3.Межприборное заземление
-Методы сужения полосы пропускания
-Классификация помех в устройствах ЭВМ
1.Линии связи
2.Виды помех
-Помехи в цепях питания и меры по их уменьшению
1.Проявление помех в цепях питания
2.Статические помехи
3.Импульсные помехи
-Обеспечение помехозащищенности аппаратурных средств вычислительной
техники
уменьшение помех в аппаратуре,собранной на интегральных
микросхемах
-Заключение
-Литература.
Введение.
Почти в любой области измерений значение предельно различимого слабого
сигнала определяется шумом-мешающим сигналом,который забивает полезный
сигнал.Даже если измеряемая величина и не мала,шум снижает точность
измерения.Некоторые виды шума неустранимы принципиально
(например,флуктуации измеряемой величины),и с ними надо бороться только
методами усреднения сигнала и сужения полосы упомянуты ниже без
рассмотрения..Другие виды шума(например,помехи на радиочастоте и “петли
заземления”)можно уменьшить или исключить с помощью разных
приемов,включая фильтрацию,а также тщательное продумывание расположения
проводов и элементов схем.И, наконец,существует шум,возникающий в
процессе усиления,и его можно уменьшить применением малошумящих
усилителей.
Мы начнем с разговора об источниках происхождения и характеристиках
различных видов шумов,от которых страдают электронные схемы.После
краткого рассмотрения шумов дифференциального усилителя и усилителя с
обратной связью перейдем к вопросам надлежащего заземления и
экранирования, а также исключению помех и наводок.Для примеров выбран
усилитель,т.к.он один из основных элементов,часто входящих в различные
устройства.
Кроме того,в данной работе приведена классификация помех в устройствах
ЭВМ,а в качестве конкретных примеров рассмотрены помехи в цепях питания
и меры по их уменьшению,а также рекомендации по обеспечению
помехозащищенности аппаратурных средств вычислительной техники.
Шумы усилителей.
1.Происхождение и виды шумов.
Термин “шум” применяется ко всему,что маскирует полезный сигнал,поэтому
шумом может оказаться какой-нибудь другой сигнал(“помеха”);но чаще всего
этот термин означает “случайный” шум физической(чаще всего
тепловой)природы.Шум характеризуется своим частотным
спектром,распределением амплитуды и
источником(происхождением).Рассмотрим основные виды шумов.
“Джонсоновский шум”.Любой резистор на плате генерирует на своих выводах
некоторое напряжение шума,известное как “шум Джонсона”(тепловой шум).У
него горизонтальный частотный спектр,т.е. одинаковая мощность шума на
всех частотах(до некоторого предела).Шум с горизонтальным спектром
называют “белым шумом”.Реальное напряжение шума в незамкнутой цепи,
порожленное сопротивлением R,находящимся при температуре T, выражается
формулой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где k-постоянная Больцмана,
T-абсолютная температура в Кельвинах,
B-полоса частот в герцах.
Таким образом Uш.эфф. это то,что получится на входе совершенно
бесшумного фильтра с полосой пропускания B,если подать на его вход
напряжение,порожденное резистором при температуре T
При комнатной температуре(293 К)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(ГцОм),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В/Гцwmetafile80100090000039c00000002001500000000000500000009020000000004
00000002010100050000000102ffffff00040000002e0118000500000031020100000005
0000000b0200000000050000000c02e001a0010e00000026060f001200ffffffff000008
000000f0ffb4ff900194010b00000026060f000c004d6174685479706500002000150000
00fb0220ff0000000000009001000000000002001054696d6573204e657720526f6d616e
000081040000002d01000009000000320af4002b00010000003100700009000000320af4
00e700010000003200700009000000320af4009700010000002f003f000a00000026060f
000a00ffffffff01000000000010000000fb021000070000000000bc02000000cc010202
2253797374656d00cc040000002d01010004000000f00100000300000000000301840602
004900=1,27wmetafile8010009000003310100000200150000000000050000000902000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В/Гцwmetafile801000900000
3ae010000020015000000000005000000090200000000040000000201010005000000010
2ffffff00040000002e01180005000000310201000000050000000b02000000000500000
00c02e001200b0e00000026060f001200ffffffff000008000000f0ffb4ff100b94010b0
0000026060f000c004d617468547970650000200015000000fb0220ff000000000000900
1000000000002001054696d6573204e657720526f6d616e000081040000002d010000090
00000320af4002b00010000003100700009000000320af400e7000100000032007000090
00000320af400ea07010000003400700009000000320af400ac090100000031007000090
00000320af400680a010000003200700015000000fb0280fe00000000000090010000000
00002001054696d6573204e657720526f6d616e000081040000002d01010004000000f00
1000009000000320aa001bc02010000003100c0000a000000320aa001a00302000000323
7c000c0000a000000320aa001d605020000003130c000c00015000000fb0220ff0000000
000009001000000000002001054696d6573204e657720526f6d616e000081040000002d0
1000004000000f001010009000000320af4009700010000002f003f0009000000320af40
0180a010000002f003f0015000000fb0280fe00000000000090010000000000020010546
96d6573204e657720526f6d616e000081040000002d01010004000000f00100000900000
0320aa0015203010000002e00600010000000fb0280fe000000000000900100000002000
2001053796d626f6c0002040000002d01000004000000f001010009000000320aa0019a0
1010000003d00d80009000000320aa0015a0501000000d700600010000000fb0220ff000
0000000009001000000020002001053796d626f6c0002040000002d01010004000000f00
1000009000000320af4006c07010000002d007e0015000000fb0280fe000000000000900
1010000000002001054696d6573204e657720526f6d616e000081040000002d010000040
00000f001010009000000320aa001ad08010000005200f0000a00000026060f000a00fff
fffff01000000000010000000fb021000070000000000bc02000000cc010202225379737
4656d00cc040000002d01010004000000f0010000030000000000f0010100
мкв/Гцwmetafile80100090000039c000000020015000000000005000000090200000000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.
Шум Джонсона устанавливает нижнюю границу напряжения шумов любого
детектора,источника сигнала или усилителя,имеющего резистивные
элементы.Активная составляющая полного сопротивления источника порождает
шум Джонсона;так же действуют резисторы цепей смещения и нагрузки
усилителя.
Дробовой шум.Электрический ток представляет собой движение дискретных
зарядов,а не плавно непрерывное течение.
Конечность(квантованность)заряда приводит к статическим флуктуациям
тока.Если заряды действуют независимо друг от друга,то флуктуирующий ток
определяется формулой:
Iш.эфф.=Iш.R=2qIпостB,где
q-заряд
электрона(wmetafile80100090000032c01000002001500000000000500000009020000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Кл),
Iпост-постоянная составляющая(“установившееся“ значение
тока),а B-ширина полосы частот измерения.
Приведенная формула выведена в предположении,что создающие ток носители
заряда действуют независимо друг от друга.
Это справедливо,когда заряды преодолевают некоторый
барьер,как,например,в случае тока через диодный переход,где заряды
перемещаются за счет диффузии,однако это не так,когда мы имеем дело с
металлическими проводниками,где между носителями заряда существует
тесная корреляция.Таким образом,ток в простой резистивной схеме имеет
намного меньшую шумовую составляющую,чем это показывает формула для
дробового шума.
Шум 1/f (фликкер-шум).Дробовой и тепловой шумы-неуменьшаемые виды
шума,возникающие в соответствии с законами физики. Самый дорогой и
тщательно изготовленный резистор имеет тот же тепловой шум,что и дешевый
углеродный резистор с тем же сопротивлением.Реальные устройства,кроме
того,имеют различные источники “избыточных шумов”.Реальные резисторы
подвержены флуктуациям сопротивления,которые порождают дополнительное
напряжение шума,пропорциональное протекающему через резистор постоянному
току.Этот шум зависит от многих факторов,связанных с конструкцией
конкретного резистора, включая резистивный материал и особенно концевые
соединения.
Этот шум имеет спектр,примерно описываемый зависимостью 1/f(постоянная
мощность на декаду частоты) и иногда называется “розовым шумом”.
Помехи:экранирование и заземление.
1.Помехи.Как уже говорилось,одной из форм шумов являются мешающие
сигналы или паразитные наводки.Шум в виде сигналов, приходящих по связям
с источником питания и путям заземления,на практике может иметь более
важное значение,чем рассматриваемый ранее внутренний
шум.Например,наводка от сети 50Гц имеет спектр в виде пика(или ряда
пиков)и относительно постоянную амплитуду,а шум зажигания автомобиля,шум
грозовых разрядов и другие шумы импульсных источников имеют широкий
спектр и всплески амплитуды.Другим источником помех являются радио- и
телепередающие станции,окружающее электрооборудование и т.п.Иногда от
многих из этих источников шума можно отделаться путем тщательного
экранирования и фильтрации.
Сигнал помехи может попасть в электронный прибор по входам линий
питания или по линиям ввода и вывода сигнала.Помехи могут попасть в
схему и через емкостную связь с проводами(электростатическая
связь-наиболее серьезный эффект для точек схемы с большим полным
сопротивлением)или через магнитную связь с замкнутыми контурами внутри
схемы(независимо от уровня полного сопротивления),или электромагнитную
связь с проводами,работающими как небольшие антенны для электромагнитных
волн.Любой из этих механизмов может передавать сигнал из одной части
схемы в другую.И наконец,токи сигнадла в одной части могут влиять на
другую часть схемы при падении напряжения на путях заземления и линиях
питания.
Исключение помех.Для решения этих часто встречающихся вопросов борьбы с
помехами придумано много эффективных приемов,но все они направлены на
уменьшение сигнала(или сигналов)помехи,редко когда помеха уничтожается
совсем.Поэтому имеет смысл повысить уровень сигнала просто для
увеличения отношения сигнал/шум.Большое значение также имеют и внешние
условия:прибор,безукоризнено работающий на стенде,может работать с
огромными помехами в месте,для него не предназначенном.Перечислим
некоторые внешние условия,которых следует избегать:
-соседство радио- и телестанций(РЧ-помехи),
– соседство линий метро(импульсные помехи и “мусор” в
линии питания),
-близость высоковольтных линий(радиопомехи,шипение),
-близость лифтов и электромоторов(всплески в линии
питания),
-здания с регуляторами освещения и отопления(всплески в
линии питания),
-близость оборудования с большими трансформаторами
магнитные наводки),
-особенно близость электросварочных аппаратов(наводки всех
видов неимоверной силы).
Рассмотрим наиболее общие приемы при борьбе с помехами.
Сигналы,связанные через входы,выходы и линии питания.В борьбе с
шумами,идущими по линии питания,лучше всего комбинировать линейные
РЧ-фильтры и подавители переходных процессов в линии переменного
тока.Этим способом можно добиться ослаблени помех на 60 дБ при частотах
до нескольких сот килогерц,а также эффективного подавления повреждающих
всплесков.
С входами и выходами дело сложнее из-за уровней полного сопротивления и
из-за того,что надо обеспечить пррохождение полезных сигналов,которые
могут иметь тот же частотный диапазон,что и помехи.В устройствах типа
усилителей звуковых частот можно использовать фильтры нижних частот на
входе и на выходе(многие помехи от близлежащих радиостанций попадают в
схему через провода громкоговорителя,выполняющего роль антенн).В других
ситуациях необходимы,как правило,экраниррованные провода.Провода с
сигналами низкого уровня,в частности при высоком уровне полного
сопротивления, всегда нужно экранировать.То же относится к внешнему
корпусу прибора.
Емкостная связь.Внутри прибора сигналы могут прекрасно проходить всюду
путем электростатической связи:в какой-нибудь точке в приборе происходит
скачок сигнала 10В и на расположенном рядом входе с большим полным
сопротивлением произойдет тот же скачок.Что тут можно сделать?Лучше
всего уменьшить емкость между этими точками(разнеся их),добавить
экран(цельнометаллический футляр или даже металлическая экранирующая
оплетка исключает этот вид связи),придвинуть провода вплотную к плате
заземления(которая “глотает” электростатические пограничные поля,очень
сильно ослабляя связь)и,если возможно,снизить полное сопротивление
насколько удастся.
Магнитная связь.К сожалению,низкочастотные магнитные поля не
ослабляются существенно металлической экранировкой.Лучший способ борьбы
с этим явлением-следить,чтобы каждый замкнутый контур внутри схемы имел
минимальную площадь,и стараться,чтобы схема не имела проводов в виде
петли.Эффективны в борьбе с магнитной наводкой витые пары, т.к. площадь
каждого витка мала,а сигналы,наведенные в следующих друг за другом
витках,компенсируются.
При работе с сигналами очень низкого уровня,или устройствами,очень
чувствительными к магнитным наводкам(головки магнитофонов,катушки
индуктивности, проволочные сопротивления),может оказаться желательным
магнитное экранирование.Если внешнее магнитное поле велико, то лучше
применять экран из материала с высокой магнитной
проницаемостью(например,из обычного железа) для того,чтобы предотвратить
магнитное насыщение внутреннего экрана. Наиболее простым решением
является удаление мешающего источника магнитного поля.
Радиочастотные помехи.Наводки радиочастоты могут быть очень
коварными,т.к. не внушающая подозрений часть схемы может работать как
эффективный резонансный контур с огромным резонансным пиком.Кроме общего
экранирования,желательно все провода делать как можно короче и избегать
образования петель,в которых может возникнуть резонанс.Классической
ситуацией паразитного приема высоких частот является пара шунтирующих
конденсаторов один танталовый,другой дисковый керамический.,что часто
рекомендуется для улучшения шунтирования питания.Такая пара образует
отличный паразитный настроенный контур где-то в области от ВЧ до СВЧ (от
десятков до сотен мегагерц),самовозбуждающийся при наличии усиления.
2.Сигнальное заземление.Провода заземления и заземленные экраны могут
доставить много неприятностей.Сущность проблемы такова:ток,протекая по
линии заземления,может возбудить сигнал,который воспринимает другая
часть схемы,сидящая на том же проводе заземления.Часто используют
решение в лоб:
все линии заземления сходятся в одной точке схемная “Мекка”
заземления.,но это не всегда самое верное решение.
Обычные ошибки заземления.Общая ситуация представлена на рис.1.В одном
приборе находятся усилитель низкого уровня и мощный усилитель с большим
потребляемым током.Первая схема сделана правильно:оба усилителя
присоединены непосредствено к измерительным выводам стабилизатора
напряжения питания, поэтому падение напряжения IR на проводах,идущих к
мощному каскаду,не оказывает влияние на напряжения питания усилителя
низкого уровня.К тому же ток нагрузки,проходя на землю,не появляется на
входе низкого уровня;вообще,никакой ток не идет по проводу заземления
входа усилителя низкого уровня к схемной “Мекке”.
Во-второй схеме имеются две грубые ошибки.Флуктуации напряжения
питания,поожденные токами нагрузки каскада высокого уровня,отражаются на
напряжении питания каскада низкого уровня.Если входной каскад имеет
недостаточно высокий коэффициент ослабления флуктуаций питания,то это
может привести к возникновению автоколебаний.Далее,ток
нагрузки,возвращаясь к источнику питания,вызывает флуктуации потенциала
на “земле” корпуса по отношению к заземлению источника питания.Входной
каскад оказывается привязанным к этой “переменной земле”,а
это,очевидно,плохо.Т.е. надо следить,где протекают большие токи сигнала
и смотреть,чтобы они не влияли на вход.В некоторых случаях разумно
отделить источник питания от каскада низкого уровня небольшой
RC-цепью(рис.2).
3.Межприборное заземление.Идея главной точки заземления внутри одного
приборра хороша,но не годится,если сигнал идет из одного прибора в
другой и у каждого свое представление о “земле”.В таких случаях можно
использовать одно из следующих предложений.
Сигналы выского уровня.Если сигналы имеют напряжение несколько вольт
или это логические сигналы,то можно просто соединить то,что нужно,и
зыбыть об этом.(рис.3).Источник напряжения(обозначен между 2мя
заземлениями)представляет собой разность потенциалов между 2мя выводами
линий питания в одной и той же или в разных комнатах здания.Эта разность
потенциалов состоит частично из напряжения,наведенного от сети,гармоник
частоты сети,радиочастотных сигналов силовые линии питания-хорошая
антенна,разных всплесков и прочего “мусора”.Если наши сигналы достаточно
велики,то все это,в общем-то,не важно.
Малые сигналы и длинные линии.Для малых сигналов такая ситуация
нетерпима.Несколько идей для этой цели содержит рис.4.На первой схеме
коаксиальный экранированный кабель присоединен к корпусу и схемному
заземлению источника сигнала,но изолирован от корпуса
приемника.Благодаря дифференциальному усилителю для буферизации входного
сигнала подавляется синфазный сигнал в цепи заземления,выделяющийся на
экране.Также полезно подключить резистор с малым сопротивлением и
шунтирующий конденсатор на землю для ограничения сдвига “напряжения
заземления” и предупреждений входного каскада.Еще одна схема
демонстрирует использование “псевдодифференциального” входного включения
для усилительного каскада с одним выходом это может
быть,например,стандартный неинвертирующий ОУ,как показано на
схеме..Сопротивление 10 Ом включенного между общей точкой усилителя и
схемной землей резистора достаточно велико(во много раз больше полного
сопротивления заземления источника),так что потенцал в этой точке задает
опорная земля источника сигнала.Разумеется, любой шум,присутствующий в
этом узле схемы,появится также на выходе,однако это становится
неважным,если каскад имеет достаточно высокий коэффициент усиления
Ku,поскольку отношение полезного сигнала к шумам заземления
увеличивается в Ku раз.Таким образом,хотя данная схема не является
подлинно дифференциальной(КОСС ),тем не менее работает она достаточно
хорошо(с эффективным КОСС=Ku).Такой прием псевдодифференциального
включения с отслеживанием потенциала земли можно использовать также для
сигналов низкого уровня внутри самого прибора,когда возникают проблемы с
шумами заземления.
Во-второй схеме используется экранированная витая пара, экран которой
присоединен к корпусу на обоих концах.Это не опасно,т.к. по экрану
сигнал не идет.Дифференциальный усилитель используется,как и раньше,на
приемном конце.Если передается логический сигнал,то имеет смысл
передавать дифференциальный сигнал(сигнал и его инверсию),как показано
на
рисунке.wmetafile80100090000036b00000002001500000000001400000026060f001e
00ffffffff040014000000576f72640e004d6963726f736f667420576f7264050000000b
0200000000050000000c020b00010013000000fb0200000000000000000000000000cc00
000001436f7572696572204e657700cc00040000002d0100000400000002010100150000
00fb02f0ff0000000000009001000000cc04000031436f7572696572204e657720437972
00cc80040000002d010100050000000902000000000400000002010100040000002d0100
0003000000000000000200cb2d580000000200e556400000000200ba6241000000020016
58420000000301541f01008100
На радиочастотах подходящий способ подавления синфазного сигнала на
приемном конце дает трансформаторная связь;она также облегчает получение
дифференциального биполярного сигнала на передающем конце.Трансформаторы
также популярны в звуковой аппаратуре,хотя они громоздки и ведут к
некоторому искажению сигнала.
Для очень длинных кабельных линий(измеряемых километрами) полезно
принять меры против больших токов в экранах на радиочастотах.Способ
достижения этого показан на рис.5.Как было показано выше,
дифференциальный усилитель работает с витой парой и на него не влияет
напряжение экрана.Путем связи экрана через небольшую катушку
индуктивности с корпусом удается сохранить малое напряжение постоянного
тока,а большие радиочастотные токи исключить.На .той схеме также
показана защита от выхода синфазного напряжения за пределы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В.
Хорошая схема защиты многопроводного кабеля,в котором требуется
исключить синфазные наводки,показана на рис.6.Так как у всех сигналов
наводка одна и та же,то единственный провод,подключенный к земле на
передающем конце,служит для компенсации синфазных сигналов во всех n
проводах сигнала. Просто этот сигнал считывается по отношению к земле на
приемном конце и используется как опорный входной сигнал для всех n
дифференциальных усилителей,работающих с остальными сигналами.
Приведенные схемы хорошо подавляют синфазные помехи на низких и средних
частотах,но против РЧ-помех они могут оказаться неэффективными из-за
низкого КОСС в приемном дифференциальном усилителе.
Плавающий источник сигнала.Та же несогласованность напряжений
заземления в разных местах проявляется еще более серьезно на входах
низкого уровня,поскольку там сигналы очень малы примером является
головка магнитофона или другой источник сигнала,для которого нужна
экранированная сигнальная линия..Если заземлить экран на обоих концах,то
разность напряжений заземления появится в качестве сигнала на входе
усилителя.Лучше всего отделить экран от заземления в источнике(рис.7).
Изолирующие усилители.Другим решением связанных с заземлением проблем
является использование “изолирующего усилителя”.Изолирующие
усилители-готовые устройства, предназначенные для передачи аналогового
сигнала(с полосой частот,начинающейся от постоянного тока)от схемы с
одним опорным уровнем заземления к другой схеме,имеющей совершенно
другую землю(рис.8).На практике в некоторых экзотических ситуациях
потенциалы этих “земель” могут отличаться на много киловольт.Применение
изолирующих усилителей обязательно в медицинской электронике-там,где
электроды прикладываются к телу человека,с тем,чтобы полностью
изолировать такие контакты от измерительных схем,питающихся
непосредственно от сети переменного тока.
Защита сигнала.Это также способ уменьшения эффектов входной емкости и
утечек при малых сигналах и большом полном сопротивлении.Если мы
работаем с сигналами от микроэлектродов или емкостных датчиков с
внутренним полным сопротивлением в сотни мегаом,то даже входная емкость
в несколько пикпфарад может в этом случае совместно с этим
сопротивлением обрразовать фильтр нижних частот со спадом,начинающимся с
нескольких герц.К тому же конечное значение сопротивления изоляции в
соединительном кабеле легко может на порядки ухудшить рабочие параметры
усилителя со сверхнизким током входного сигнала(ток смещения меньше
пикоампера) за счет утечек.Обе эти проблемы решаются путем использования
защитного электрода(рис.9).
Внутренний экран соединен с повторителем;это эффективно исключает токи
и резистивных,и емкостных утечек за счет нулевой разности потенциалов
между сигнальным прроводом и его окружением.Внешний заземленный экран
предохраняет от помех защитный электрод;не доставляет хлопот работа
повторителя на емкость и утечку между экранами,т.к. у повторителя малое
полное выходное сопротивление.
Этот прием не следует применять чаще,чем это необходимо; имеет смысл
ставить повторитель как можно ближе к источнику сигнала,защищая лишь
небольшой отрезок кабеля,соединяющий сигнал после повторителя с его
низким полным выходным сопротивлением к отдаленному усилителю можно и по
обычному экранированному кабелю.
Методы сужения полосы пропускания.
wmetafile80100090000035000000000000e000000000005000000090200000000040000
0002010100050000000102ffffff00040000002e01180005000000310201000000050000
000b0200000000050000000c02000220010e00000026060f001200ffffffff0000080000
00c0ffc0ffe000c0010b00000026060f000c004d61746854797065000050000a00000026
060f000a00ffffffff010000000000030000000000 Эти меры принимаются для
улучшения отношения сигнал/шум. Мы сужаем ширину полосы пропускания и
сохраняем тем самым нужный сигнал,сократив одновременно общее количество
принимаемых шумовых сигналов.
Известно несколько методов сужения полосы пропускания, получивших
широкое распространение на практике:
-усреднение сигнала,
-переходное усреднение,
-метод интегрирования,
-многоканальное уплотнение,
-амплитудный анализ импульсов,
-детектирование с захватом,
-фазовое детектирование.
Все эти методы предполагают,что сигнал является периодическим условие
легко выполнимо,т.к. почти всегда сигнал можно сделать периодическим..
Мы не будем рассматривать эти методы.
Классификация помех в устройствах ЭВМ.
Борьба с помехами приобретае все большую актуальность по многим
причинам,вот некоторые из них:
-рост доли задержек сигналов в линиях связи по сравнению с задержками
собственно логических элементов,обусловливаемых конечностью скорости
распространения сигналов в линиях связи и переходными поцессами в них,
– возрастающая зависимость быстродействия ЭВМ,правильности ее
функционирования от оптимальности выбора конструктивного исполнения
линий связи и принятия соответствующих схемотехнических мер,
-возрастание взаимного влияния между элементами и линиями связи из-за
увеличения плотности размещения элементов компонентов.
1.Линии связи.Линии связи(ЛС) заметно влияют на процессы передачи
информации.Влияние ЛС определяется ее типом.В зависимости от соотношения
длительности фронта передаваемого сигнала и времени распространения его
по ЛС последние подразделяют в случае анализа помех на электрически
короткие и электрически длинные линии.
Линия связи считается электрически короткой линией,если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,
где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и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-время спада и
нарастания передаваемого сигнала
соответственно;
l-длина линии связи;
vp-скорость распространения сигнала в линии связи.
На практике принимают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,
где -диэлектрическая постоянная среды;
С0=300000 км/с.
Линия связи считается электрически длинной линией,если
wmetafile801000900000347020000040015000000000005000000090200000000040000
0002010100050000000102ffffff00040000002e01180005000000310201000000050000
000b0200000000050000000c02c002c00f0e00000026060f001200ffffffff0000080000
00c0ffb3ff800f73020b00000026060f000c004d617468547970650000800010000000fb
0281fddd00000000009001000000020002001053796d626f6c0002040000002d01000008
000000320afa01b802010000007b0010000000fb0281fddd000000000090010000000200
02001053796d626f6c0002040000002d01010004000000f001000008000000320afa0195
07010000007d0009000000fa02000010000000000000002200040000002d010000050000
0014026b012c0b0500000013024f015d0b09000000fa0200002000000000000000220004
0000002d01020005000000140257015d0b050000001302d701a40b040000002d01000005
0000001402d701ac0b05000000130258000a0c05000000140258000a0c05000000130258
00f00c15000000fb0280fe0000000000009001000000000002001054696d6573204e6577
20526f6d616e00007b040000002d01030004000000f00101000c000000320ac001400003
0000006d6178001401a800b40009000000320ac0014305010000002c0060000900000032
0ac001500d010000002f006c0015000000fb0220ff000000000000900100000000000200
1054696d6573204e657720526f6d616e00007b040000002d01010004000000f001030009
000000320a14015f04010000002c00380009000000320a1401df06010000002c00380015
000000fb0280fe0000000000009001010000000002001054696d6573204e657720526f6d
616e00007b040000002d01030004000000f001010009000000320ac00162030100000074
006c0009000000320ac001c6050100000074006c0009000000320ac0019b0a010000006c
006c0009000000320ac0010f0e010000004300fc0015000000fb0220ff00000000000090
01000000000002001054696d6573204e657720526f6d616e00007b040000002d01010004
000000f001030009000000320a1401f403010000003100700009000000320a14019f0401
0000003000700009000000320a14016606010000003000700009000000320a1401110701
0000003100700009000000320a2002100f010000003000700015000000fb0280fe000000
0000009001000000000002001054696d6573204e657720526f6d616e00007b040000002d
01030004000000f001010009000000320ac001d709010000003200c00010000000fb0280
fe0000000000009001000000020002001053796d626f6c0002040000002d010100040000
00f001030009000000320ac001a20801000000a300d80010000000fb0280fe0000000000
009001010000020002001053796d626f6c0002040000002d01030004000000f001010009
000000320ac001170c010000006500a8000a00000026060f000a00ffffffff0100000000
0010000000fb021000070000000000bc02000000cc0102022253797374656d00cc040000
002d01010004000000f001030003000000000000009001010000020002001053796d626f
6c.
Уточним понятие помехи для вычислительного устройства:это внешнее или
внутреннее воздействие,приводящее к искажению дискретной информации во
время ее хранения,преобразования,обработки и передачи.
2. По характеру воздействия на дискретную информацию помехи в
устройствах ЭВМ,выполняемых на ИС,проявляются как задержки передачи
импульсов,искажения фронтов импульсов,искажения уровней передаваемых
потенциалов,уменьшение амплитуд передаваемых импульсов,постоянные
смещения уровней напряжения питания.
3.По источнику создания помех их целесообразно разделять на помехи
внешние,как правили,наводки,создаваемые внешними по отношению к
рассматриваемому устройству аппаратами, устройствами,условиями
эксплуатации,и помехи внутренние, обусловливаемые конкретным выполнением
линий связи в рассматриваемом устройстве.
4.По месту проявления помехи могут быть подразделены на помехи в
сигнальных линиях связи и в цепях питания.Видом проявления внутренних
помех в электрически коротких ЛС являются задержки сигналов из-за
емкостного или индуктивного характера линии связи,емкостные и
индуктивные взаимные наводки между сигнальными проводниками,а внутренних
помех в электрически длинных ЛС-задержки передачи сигналов, искажения
формы передаваемых сигналов из-за отражений, взаимные наводки между
линиями связи,затухания сигналов.
Помехи в цепях питания и меры по их уменьшению.
1.К проявлениям помех в цепях питания относят:постоянные смещения уровня
шины “земля”,обусловливаемые ее активным сопротивлением;импульсные
ЭДС,вызываемые динамическими токами потребления ИС в индуктивности шин
“земля” и “питание”,динамическими токами перезаряда “паразитных”
емкостей линий связи;периодические колебания напряжения
питания,вызываемые реактивным характером цепей питания.
2.Статические помехи в цепях питания.Помехи в цепях питания возможны
из-за падения напряжения на активном сопротивлении шин “земля” и
“питание” при протекании по ним постоянных токов;возникновения ЭДС
самоиндукции в цепи шин питания прри протекании по ним импульсных
токов;”медленных” колебательных процессов в шинах питания при “бросках”
тока нагрузки.
Чтобы свести к минимуму “постоянную” помеху,необходимо выбрать такую
конструкцию шин “земля”,при которой падение на ней напряжения от
постоянного тока было бы меньше наперед заданного допустимого значения
Uпом.доп.,рассчитываемого из условия обеспечения помехозащищенности
устройства.
Рассмотрим случай,когда n одинаковых логических элементов имеют одну
общую шину “земля”,присоединенную к нулевой точке на одном конце
шины(рис.10).Очевидно,что в наихудшем режиме с точки зрения
помехозащищенности работает n-й элемент, поскольку его реальная
статическая помехозащищенность уменьшается по сравнению с
номинальной(паспортной) на значение падения напряжения на шине “земля” в
точке его присоединения и для n-го элемента это падение напряжения
составляет максимальное значение U=пом.
Величина U=пом. приближенно рассчитывается по схеме рис.10б.
Обозначая через Rш сопротивление участка общей шины “земля” между 2мя
расположенными рядом микросхемами,а через Iип- ток потребления одной
микросхемы,можно записать:
U=пом.= RшnIип +Rш(n-1)Iип +…+RшIип=RшIип(1+2+…+(n-1)+n)=
=RшIип(n+1)2.
Задаваясь из условия обеспечения помехозащищенности устройства
допустимым падением напряжения на шине “земля” Uпом.доп.,нетрудно
вычислить допустимое сопротивление участка шины “земля” Rшдоп. и
сформулировать требования к конструкции шины “земля”:
Rшдоп.Iипwmetafile801000900000332010000030015000000000005000000090200000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пом.доп. или Rшдоп. 2Uпом.доп/(Iип(n+1)n).
Конструктивными мерами по уменьшению постоянных помех следует считать:
-увеличение сечения шины “земля”;
– увеличение числа заземляющих точек,что уменьшает длину
общих участков протекания тока элементов(рис.11);
-применение заземленных медных листов,к которым припаиваются все
обратные провода ячеек или модулей;
-применение навесных шин питания;
-использование для подвода питания отдельных слоев многослойной печатной
платы.
3.Импульсные помехи в цепях питания.Они обусловливаются главным образом
кратковременными возрастаниями (“бросками”) токов потребления
интегральных микросхем при переключении последних из одного логического
состояния в другое и,во-вторых,динамическими токами перезаряда
паразитных емкостей сигнальных линий связи (собственных емкостей
сигнальных проводников относительно шины “земля”).Эти относительно
большие по значению и короткие по длительности токи иногда сотни
миллиампер за единицы наносекунд.,протекая по шине “земля” цепи
питания,вызывают на индуктивности общих шин “земля” импульсные падения
напряжения.Последние,приложенные ко входу микросхем, действуют как
импульсные помехи.Рассмотрим механизм возникновения импульсных помех для
обоих случаев.
Для изучения причин возникновения импульсных помех из-за бросков тока
потребления ИС рассмотрим такую конструкцию шин питания,когда n
одинаковых элементов подключены к шинам “питание” и “земля” через
некоторое равное расстояние,причем n-1 любых элементов одновременно
переключается из одного устойчивого состояния в другое,а на вход
одного,например
n-го,элемента(рис.12а) подключен сигнал логического нуля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вх.
Перейдем к расчетной эквивалентной схеме(рис.12б):
Lш-индуктивность участка шины “земля” между 2мя
расположенными рядом микросхемами,
iип-переменная составляющая тока потребления,
Активным сопротивлением шин “земля” пренебрегаем.
В общем случае ток потребления микросхемы резко возрастает в моменты ее
переключения(рис.12в).Идеализируя форму переменной составляющей тока
потребления(рис.12г),легко рассчитать ЭДС самоиндукции eпом,возникающую
в шине “земля” (ШЗ)при изменении тока потребления:
eпом=wmetafile80100090000030d010000020015000000000005000000090200000000
0400000002010100050000000102ffffff00040000002e01180005000000310201000000
050000000b0200000000050000000c024004e0020e00000026060f001200ffffffff0000
08000000c0ffbaffa002fa030b00000026060f000c004d617468547970650000e0001500
0000fb0220ff0000000000009001010000000002001054696d6573204e657720526f6d61
6e000081040000002d01000009000000320af5036b000100000069003f0009000000320a
ee005a00010000006e00700010000000fb0220ff00000000000090010000000200020010
53796d626f6c0002040000002d01010004000000f001000009000000320af503c0000100
00003d007e0009000000320aee00d900010000002d007e0010000000fb02c0fd00000000
00009001000000020002001053796d626f6c0002040000002d01000004000000f0010100
09000000320ad702380001000000e5008c0115000000fb0220ff00000000000090010000
00000002001054696d6573204e657720526f6d616e000081040000002d01010004000000
f001000009000000320af5033b01010000003100700009000000320aee00530101000000
310070000a00000026060f000a00ffffffff01000000000010000000fb02100007000000
0000bc02000000cc0102022253797374656d00cc040000002d01000004000000f0010100
030000000000ffffffff0100eпомi(t)=eпом1+eпом2+…+eпом(n-1),
где eпомi- ЭДС помехи,возникающей на участке ШЗ,соединяющей i-ю
микросхему с (i-1)й микросхемой.
Приближенно eпом1=
2Lшwmetafile801000900000320010000030015000000000005000000090200000000040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ип,
eпом2=
2Lшwmetafile801000900000320010000030015000000000005000000090200000000040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ип,
………………
eпом(n-1=
2Lшwmetafile8010009000003c7000000030015000000000005000000090200000000040
0000002010100050000000102ffffff00040000002e01180005000000310201000000050
000000b0200000000050000000c028004e0010e00000026060f001200ffffffff0000080
00000c0ffb5ffa00135040b00000026060f000c004d61746854797065000010010900000
0fa02000010000000000000002200040000002d010000050000001402fd0140000500000
01302fd01820115000000fb0280fe0000000000009001000000000002001054696d65732
04e657720526f6d616e00007b040000002d01010009000000320a6b01870001000000310
0c00015000000fb0280fe0000000000009001010000000002001054696d6573204e65772
0526f6d616e00007b040000002d01020004000000f001010009000000320a89035400010
0000074006c000a00000026060f000a00ffffffff01000000000010000000fb021000070
000000000bc02000000cc0102022253797374656d00cc040000002d01010004000000f00
10200030000000000ffffffff01000000000010000000fb021000Iип,где t-время
переключения.
С учетом этого имеем:
eпом=2Lш Iип[(n-1)+(n-2)+…+2+1]/t=2Lш Iипn(n-1)/t.
Задаваясь допустимым значением импульсной помехи на входе элемента из-за
помех по цепи питания eпом.доп,нетрудно
рассчитать допустимое значение индуктивности шины питания
ШП,следовательно,сформулировать конструктивные требования к цепям
питания:
Lш.доп eпом.доп t/Iипn(n-1).
Уменьшение импульсной помехи в цепях питания достигается либо выбором
элементов с малыми бросками токов при переключении,либо при заданной
системе элементов путем уменьшения индуктивности общей шины
питания,что,в свою очередь,может быть достигнуто:
-увеличением числа заземляющих точек,
-применением заземленных медных листов,
-использованием для подвода питания многослойной печатной
платы,
-выбором соответствующей конструции ШП(например,рис.12д),
-применением индивидуальных конденсаторов развязки Идея применения
конденсаторов развязки для уменьшения импульсных помех в цепях питания
заключается во введении индивидуальных для каждой ИС источников
энергии,роль которых выполняют конденсаторы с малой собственной
индуктивностью.Они позволяют локализовать протекание динамических токов
потребления в рамках цепи микросхема-ИКР..
Обеспечение помехозащищенности аппаратурных средств вычислительной
техники.
1.Уменьшение помех в аппаратуре,собранной на интегральных
микросхемах.Для подавления помех,вызванных ударами молнии в силовые
линии,переключениями реле,переходными процессами при пуске
электродвигателя,электрическими разрядами в аппаратуре или вблизи
нее,высокочастотными полями и т.д. необходима тщательная проработка
цепей питания, заземления, экранирования, топологии печатных плат с
учетом конкретных характеристик интегральных схем.
Необходимо помнить,что ИС ТТЛ-типа,представляющие собой токовые приборы
с малым входным сопротивлением,особенно чувствительны к разности
потенциалов цепей питания между отдельными ИС,возникающей из-за
паразитных токов.
ИС МДП-типа управляются напряжением и имеют высокое входное и малое
выходное сопротивление,поэтому они особенно чувствительны к излучаемым
помехам.Вторичная чувствительность к паразитным токам возникает в
результате помех от соседних проводников,по которым передаются
импульсные сигналы.
Линейные ИС имеют высокое входное и малое выходное сопротивления.В
отличие от цифровых ИС для линейных ИС не указываются диапазоны
напряжений.Шумовые выбросы могут просачиваться в усилитель с высоким
коэффициентом усиления по шинам питания.
Для уменьшения восприимчивости аппаратуры на ИМС к электромагнитным
помехам на практике необходимо:
1.Максимально применять развязку по цепи питания,подключая конденсаторы
индивидуальной развязки к отдельным микросхемам или группам микросхем.
2.Выбирать достаточную ширину печатных проводников шин питания.
3.Не путать шину “земля” с “общей шиной” системы(обратный провод
источника питания).ШЗ не должна использоваться для передачи
мощности.Проводники “земля” и “общий” необходимо соединять только в
одной точке ситемы,иначе образуется замкнутый контур,излучающий помехи в
схему.
4.Питать цепи,потребляющие большой ток,от отдельного источника.В этом
случае переменные составляющие тока питания не проникают в
шины,подводящие питание к маломощным логическим схемам.Следует иметь в
виду,что проводники, передающие резкие изменения тока,индуктивно связаны
с соседними проводниками,а последние передают фронты напряжений через
емкостные связи соседним участкам схемы.В связи с этим размещению таких
проводников надо уделять особое внимание.
5.Выбирать резисторы утечки с минимальным сопротивлением,допускаемым с
точки зрения мощности потребления или других условий.Это особенно важно
в ИС
МДП-типа.
6.В устройствах,построенных на ИС ТТЛ-типа,неиспользуемые логические
входы надо подключить к положительной шине “питание” через резистор 1
КОм.В устройствах на МДП ИС неиспользуемые логические входы подключаются
соответственно к положительной или отрицательной шинам,т.к. в противном
случае может возникнуть состояние неопределенности в работе ИС.
7.Применять в линейных устройствах резисторы и конденсаторы,имеющие
допуск на разброс параметров до 1%. Исключение могут составлять
резисторы утечки и конденсаторы блокирующих цепей,где допускается
20%-ный разброс параметров.По окончании разработки следует изучить
влияние изменения параметров компонентов на работу схемы.
Если указанные меры не дают желаемого эффекта,можно применить
фильтрацию сетевого напряжения и экранирование. Корпуса из металла или с
проводящим покрытием,как уже говорилось,в значительной степени ослабляют
внешние помехи. Окна,образуемые индикаторами,шкалами или измерительными
приборами,можно закрыть медными экранами.Фильтры сетевого напряжения
обеспечивают защиту от помех из силовой сети,но их необходимо
согласовать с аппаратурой.
Таковы общие рекомендации;рассматривать же что-либо более определенное
не имеет смысла,т.к. для элементов разных типов(КМДП,ТТЛ,ЭСЛ…)меры по
уменьшению помех,несмотря на всю схожесть,различны.
Заключение.
Надежность и достоверность работы электронных вычислительных машин в
существенной степени определяются их помехозащищенностью по отношению к
внешним и внутренним,случайным и регулярным помехам.От правильного
решения задачи обеспечения помехоустойчивости элементов и узлов ЭВМ
зависят как сроки ее разработки,изготовления и наладки,так и нормальное
ее функционирование в процессе эксплуатации.Наиболее успешная борьба с
помехами возможна лишь в том случае,когда разработка электрических схем
и конструкций элементов и узлов ЭВМ неразрывно связаны.
Аналогичный подход справедлив и для всех прочих устройств.
Методов снижения шумов в устройствах и повышения помехоустойчивости
устройств на порядок больше,чем самих шумов и видов помех,т.к. для
каждой конкретной схемы существуют свои оптимальные методы уменьшения
помех.
Это ужасно с точки зрения перебора и применения методов, кроме
того,требует большой практической сноровки;но все,чего мы можем
добиться-лишь в той или иной степени подавить шум или помеху.
Литература.
1.П.Хоровиц,У.Хилл.
Искусство схемотехники-М:Мир,1993 г.,т.т.2,3.
2.Л.Н.Преснухин,Н.В.Воробьев,А.А.Шишкевич.
Расчет элементов цифровых устройств-М:ВШ,1991 г.
Литература.
1.П.Хоровиц,У.Хилл.
Искусство схемотехники-М:Мир,1993 г.,т.т.2,3.
2.Л.Н.Преснухин,Н.В.Воробьев,А.А.Шишкевич.
Расчет элементов цифровых устройств-М:ВШ,1991 г.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
