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 R _г источника питания является функцией стабилизирующих свойств источника питания. Это сопротивление можно уменьшить, улучшив стабилизацию напряжения источника питания. Резистор R представляет собой сопротивление предохранителя; элементы R _л, L_л и С _л – распределенные сопротивление, индуктивность и емкость линии связи, используемой для подключения источника питания к нагрузке; U _ш – генератор напряжения с сосредоточенными параметрами, отображающий шумы, наводимые в проводах от других схем. Шунтирующий конденсатор С обладает паразитными сопротивлением R_с и индуктивностью L_с. Резистор R _н является нагрузкой.

Наведенное напряжение шумов U _ш 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 R _г 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 сопротивления Z ₀ 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 с высоким 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 значения Z ₀, поскольку в уравнениях не учитываются краевые эффекты.

Значения относительной диэлектрической проницаемости e 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 (конденсатор С 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 напряжения обычно 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 передачи LС- 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.