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 импульса t _Ф, 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.

Втипичных 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 Z ₀; 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.

Часть 5