додати матеріал


Шуми

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Зміст.
-Введення
-Шуми підсилювачів
походження та види шумів
-Перешкоди: екранування і заземлення
  1.Помехі
2.Сігнальное заземлення
3.Межпріборное заземлення
-Методи звуження смуги пропускання
-Класифікація перешкод в пристроях ЕОМ
  1.Лініі зв'язку
2.Види перешкод
-Перешкоди в ланцюгах харчування та заходи щодо їх зменшення
  1.Проявленіе перешкод у ланцюгах живлення
2.Статіческіе перешкоди
3.Імпульсние перешкоди
-Забезпечення перешкодозахищеності апаратурних засобів обчислювальної техніки
  зменшення перешкод в апаратурі, зібраної на інтегральних
мікросхемах
-Висновок
-Література.

Введення.
Майже в будь-якій галузі вимірювань значення гранично помітного слабкого сигналу визначається шумом-заважає сигналом, який забиває корисний сігнал.Даже якщо вимірювана величина і не мала, шум знижує точність ізмеренія.Некоторие види шуму непереборні принципово
(Наприклад, флуктуації вимірюваної величини), і з ними треба боротися тільки методами усереднення сигналу і звуження смуги [1]. Інші види шуму (наприклад, перешкоди на радіочастоті і "петлі заземлення") можна зменшити або виключити з допомогою різних прийомів, включаючи фільтрацію , а також ретельне продумування розташування проводів та елементів схем.І, нарешті, існує шум, що виникає в процесі посилення, і його можна зменшити застосуванням малошумящих підсилювачів.
Ми почнемо з розмови про джерела походження та характеристики різних видів шумів, від яких страждають електронні схеми.После короткого розгляду шумів диференціального підсилювача і підсилювача із зворотним зв'язком перейдемо до питань належного заземлення та екранування, а також виключення перешкод і наводок.Для прикладів обраний підсилювач, т.к.они один з основних елементів, часто входять в різні пристрої.
Крім того, в даній роботі наведено класифікацію перешкод в пристроях ЕОМ, а в якості конкретних прикладів розглянуті перешкоди в ланцюгах харчування та заходи щодо їх зменшення, а також рекомендації щодо забезпечення перешкодозахищеності апаратурних засобів обчислювальної техніки.

Шуми підсилювачів.
1.Происхождение і види шумів.
  Термін "шум" застосовується до всього, що маскує корисний сигнал, тому шумом може виявитися який-небудь інший сигнал ("перешкода"); але найчастіше цей термін означає "випадковий" шум фізичної (найчастіше теплової) пріроди.Шум характеризується своїм частотним спектром, розподілом амплітуди і джерелом (походженням). Розглянемо основні види шумів.
"Джонсоновскій шум". Будь-який резистор на платі генерує на своїх висновках деяка напруга шуму, відоме як "шум Джонсона" (тепловий шум). У нього горизонтальний частотний спектр, тобто однакова потужність шуму на всіх частотах (до деякої межі). Шум з горизонтальним спектром називають "білим шумом". Реальна напруга шуму в незамкненою ланцюга, порожленное опором R, що знаходиться при температурі T, виражається формулою
де k-постійна Больцмана,
T-абсолютна температура в Кельвіна,
B-смуга частот у герцах.
Таким чином Uш.ефф. це те, що вийде на вході абсолютно безшумного фільтра з смугою пропускання B, якщо подати на його вхід напругу, породжену резистором при температурі T
При кімнатній температурі (293 К)
(Гц × Ом),
В / Гц = 1,27 × В / Гц мкв / Гц .
Шум Джонсона встановлює нижню межу напруги шумів будь-якого детектора, джерела сигналу або підсилювача, що має резистивні елементи.Актівная складова повного опору джерела породжує шум Джонсона; так само діють резистори ланцюгів зсуву та навантаження підсилювача.
Дробовий шум. Електричний струм являє собою рух дискретних зарядів, а не плавно безперервний перебіг. Кінцівка (квантованность) заряду призводить до статичних флуктуаціям тока.Еслі заряди діють незалежно один від одного, то флуктуирующими струм визначається формулою:
Iш.ефф .= Iш.R = Ö2qIпостB, де
q-заряд електрона ( Кл),
Iпост-постійна складова ("усталене" значення струму), а B-ширина смуги частот вимірювання.
Наведена формула виведена в припущенні, що створюють струм носії заряду діють незалежно один від одного.
Це справедливо, коли заряди долають деякий бар'єр, як, наприклад, у випадку струму через діодний перехід, де заряди переміщаються за рахунок дифузії, проте це не так, коли ми маємо справу з металевими провідниками, де між носіями заряду існує тісний корреляція.Такім чином , струм в простій резистивної схемою має набагато меншу шумову складову, ніж це показує формула для дробового шуму.
Шум 1 / f (фліккер-шум). Дробовий і теплової шуми-незнижуваний види шуму, що виникають у відповідності з законами фізики. Найдорожчий і ретельно виготовлений резистор має той самий тепловий шум, що і дешевий вуглецевий резистор з тим же сопротівленіем.Реальние пристрої, крім того, мають різні джерела "надлишкових шумів". Реальні резистори схильні флуктуацій опору, які породжують додаткову напругу шуму, пропорційне протікає через резистор постійного току.Етот шум залежить від багатьох факторів, пов'язаних з конструкцією конкретного резистора, включаючи резистивний матеріал і особливо кінцеві з'єднання.
Цей шум має спектр, приблизно описуваний залежністю 1 / f (постійна потужність на декаду частоти) і іноді називається "рожевим шумом".
Перешкоди: екранування і заземлення.
1.Помехі. Як вже говорилося, однієї з форм шумів є заважають сигнали або паразитні наводкі.Шум у вигляді сигналів, які приходять у зв'язках із джерелом харчування та шляхам заземлення, на практиці може мати більш важливе значення, ніж розглянутий раніше внутрішній шум.Напрімер, наводка від мережі 50Гц має спектр у вигляді піку (або ряду піків) і відносно постійну амплітуду, а шум запалювання автомобіля, шум грозових розрядів і інші шуми імпульсних джерел мають широкий спектр і сплески амплітуди.Другім джерелом перешкод є радіо-і телепередающие станції, що оточує електрообладнання і т.п.Іногда від багатьох з цих джерел шуму можна відбутися шляхом ретельного екранування та фільтрації.
Сигнал перешкоди може потрапити в електронний прилад по входах ліній живлення або по лініях введення і виведення сігнала.Помехі можуть потрапити до схеми і через ємнісний зв'язок з проводами (електростатична зв'язок-найбільш серйозний ефект для точок схеми з великим повним опором) або через магнітний зв'язок з замкнутими контурами всередині схеми (незалежно від рівня повного опору), або електромагнітний зв'язок з проводами, що працюють як невеликі антени для електромагнітних волн.Любой з цих механізмів може передавати сигнал з однієї частини схеми в другую.І нарешті, струми сігнадла в одній частині можуть впливати на іншу частину схеми при падінні напруги на шляхах заземлення і лініях живлення.
Виняток перешкод. Для вирішення цих часто зустрічаються питань боротьби з перешкодами придумано багато ефективних прийомів, але всі вони спрямовані на зменшення сигналу (або сигналів) перешкоди, рідко коли перешкода знищується совсем.Поетому має сенс підвищити рівень сигналу просто збільшення відношення сигнал / шум. Велике значення також мають і зовнішні умови: прилад, бездоганний працює на стенді, може працювати з величезними перешкодами в місці, для нього не предназначенном.Перечислим деякі зовнішні умови, яких слід уникати:
-Сусідство радіо-і телестанцій (РЧ-перешкоди),
- Сусідство ліній метро (імпульсні перешкоди "сміття" в
лінії живлення),
-Близькість високовольтних ліній (радіоперешкоди, шипіння),
-Близькість ліфтів і електромоторів (сплески в лінії
харчування),
-Будівлі з регуляторами освітлення та опалення (сплески в
лінії живлення),
-Близькість обладнання з великими трансформаторами
магнітні наведення),
-Особливо близькість електрозварювальних апаратів (наведення всіх
видів неймовірної сили).
Розглянемо найбільш загальні прийоми при боротьбі з перешкодами.
Сигнали, пов'язані через входи, виходи і лінії живлення. У боротьбі з шумами, що йдуть по лінії живлення, краще всього комбінувати лінійні РЧ-фільтри і Подавители перехідних процесів в лінії змінного тока.Етім способом можна домогтися ослаблення перешкод на 60 дБ при частотах до декількох сот кілогерц, а також ефективного придушення пошкоджуючих сплесків.
З входами і виходами справу складніше через рівнів повного опору і через те, що треба забезпечити пррохожденіе корисних сигналів, які можуть мати той самий частотний діапазон, що і помехі.В пристроях типу підсилювачів звукових частот можна використовувати фільтри нижніх частот на вході і на виході (багато перешкод від суміжних станцій потрапляють в схему через дроти гучномовця, що виконує роль антен). В інших ситуаціях необхідні, як правило, екраніррованние провода.Провода з сигналами низького рівня, зокрема при високому рівні повного опору, завжди потрібно екранувати. Те ж відноситься до зовнішнього корпусу приладу.
Ємнісний зв'язок. Усередині приладу сигнали можуть чудово проходити скрізь шляхом електростатичної зв'язку: у якій-небудь точці в приладі відбувається стрибок сигналу 10В і на розташованому поруч вході з великим повним опором відбудеться той же скачок.Что тут можна зробити? Найкраще зменшити ємність між цими точками (рознісши їх), додати екран (суцільнометалевий футляр або навіть металева екранує оплетка виключає цей вид зв'язку), присунути дроти впритул до плати заземлення (яка "ковтає" електростатичні прикордонні поля, дуже сильно послаблюючи зв'язок) і, якщо можливо, знизити повний опір наскільки вдасться.
Магнітна зв'язок. На жаль, низькочастотні магнітні поля не послаблюються істотно металевої екраніровкой.Лучшій спосіб боротьби з цим явищем-стежити, щоб кожен замкнутий контур усередині схеми мав мінімальну площу, і намагатися, щоб схема не мала проводів у вигляді петлі.Еффектівни у боротьбі з магнітної наводкою виті пари, тому що площа кожного витка мала, а сигнали, наведені в наступних один за одним витках, компенсуються.
При роботі з сигналами дуже низького рівня, або пристроями, дуже чутливими до магнітних наведень (головки магнітофонів, котушки індуктивності, дротові опору), може виявитися бажаним магнітне екранірованіе.Еслі зовнішнє магнітне поле велике, то краще застосовувати екран з матеріалу з високою магнітною проникністю ( наприклад, із звичайного заліза) для того, щоб запобігти магнітне насичення внутрішнього екрану. Найбільш простим рішенням є видалення заважає джерела магнітного поля.
Радіочастотні перешкоди. Наведення радіочастоти можуть бути дуже підступними, тому що не вселяє підозр частина схеми може працювати як ефективний резонансний контур з величезним резонансним піком.Кроме загального екранування, бажано всі проводи робити якомога коротше і уникати утворення петель, у яких може виникнути резонанс.Классіческой ситуацією паразитного прийому високих частот є пара шунтуючих конденсаторів [2 ], що часто рекомендується для поліпшення шунтування пітанія.Такая пара утворює відмінний паразитний налаштований контур десь в області від ВЧ до НВЧ (від десятків до сотень мегагерц), самопорушувані при наявності підсилення.
2.Сігнальное заземлення. Провід заземлення і заземлені екрани можуть доставити багато непріятностей.Сущность проблеми така: струм, протікаючи по лінії заземлення, може порушити сигнал, який сприймає інша частина схеми, що сидить на тому ж дроті заземленія.Часто використовують рішення в лоб:
всі лінії заземлення сходяться в одній точці [3], але це не завжди саме вірне рішення.
Звичайні помилки заземлення. Загальна ситуація представлена ​​на ріс.1.В одному приладі знаходяться підсилювач низького рівня і потужний підсилювач з великим споживаним током.Первая схема зроблена правильно: обидва підсилювача приєднані непосредствено до вимірювальних висновків стабілізатора напруги живлення, тому падіння напруги IR на проводах, що йдуть до потужного каскаду, не впливає на напруги живлення підсилювача низької уровня.К того ж струм навантаження, проходячи на землю, не з'являється на вході низького рівня; взагалі, ніякої струм не йде по дроту заземлення входу підсилювача низького рівня до схемної "Мецці" .
По-друге схемі є дві грубі ошібкі.Флуктуаціі напруги харчування, поожденние струмами навантаження каскаду високого рівня, відображаються на напрузі живлення каскаду низького уровня.Еслі вхідний каскад має недостатньо високий коефіцієнт ослаблення флуктуацій харчування, то це може призвести до виникнення автоколебаній.Далее, струм навантаження, повертаючись до джерела живлення, викликає флуктуації потенціалу на "землі" корпусу по відношенню до заземлення джерела пітанія.Входной каскад виявляється прив'язаним до цієї "змінної землі", а це, очевидно, плохо.Т.е. треба стежити, де протікають великі струми сигналу й дивитися, щоб вони не впливали на вход.В деяких випадках розумно відключення джерела живлення від каскаду низького рівня невеликий RC-ланцюгом (рис.2).

3.Межпріборное заземлення. Ідея головної точки заземлення всередині одного пріборра хороша, але не годиться, якщо сигнал йде з одного приладу до іншого і в кожного своє уявлення про "землю". У таких випадках можна використовувати одну з таких пропозицій.
Сигнали виского рівня. Якщо сигнали мають напругу кілька вольт або це логічні сигнали, то можна просто з'єднати те, що потрібно, і зибить про це. (Рис.3). Джерело напруги (позначений між 2ма заземленнями) представляє собою різницю потенціалів між 2ма висновками ліній живлення в одній і тій же або в різних кімнатах зданія.Ета різниця потенціалів складається частково з напруги, наведеного від мережі, гармонік частоти мережі, радіочастотних сигналів [4], різних сплесків та іншого "сміття". Якщо наші сигнали досить великі, то все це, загалом-то, не важливо.
Малі сигнали і довгі лінії. Для малих сигналів така ситуація нетерпіма.Несколько ідей для цієї мети містить ріс.4.На першою схемою коаксіальний кабель екранований приєднаний до корпусу і схемного заземлення джерела сигналу, але ізольований від корпусу пріемніка.Благодаря диференціальному підсилювача для буферизації вхідного сигналу пригнічується синфазний сигнал у колі заземлення, що виділяється на екране.Также корисно підключити резистор з малим опором і шунтувальний конденсатор на землю для обмеження зсуву "напруги заземлення" і попереджень вхідного каскада.Еще одна схема демонструє використання "псевдодиференціальних" вхідного включення для підсилювального каскаду з одним виходом [5]. Опір 10 Ом включеного між загальною точкою підсилювача і схемної землею резистора досить велике (у багато разів більше повного опору заземлення джерела), так що потенцал в цій точці задає опорна земля джерела сігнала.Разумеется, будь-який шум, присутній у цьому вузлі схеми, з'явиться також на виході, однак це стає неважливим, якщо каскад має досить високий коефіцієнт посилення Ku, оскільки відношення корисного сигналу до шумів заземлення збільшується в Ku раз.Такім чином, хоча ця схема не є справді диференціальної (КОСС ® ¥) , проте працює вона досить добре (з ефективним КОСС = Ku). Такий прийом псевдодиференціальних включення з відстеженням потенціалу землі можна використовувати також для сигналів низького рівня усередині самого приладу, коли виникають проблеми з шумами заземлення.
По-друге схемі використовується екранована вита пара, екран якої приєднаний до корпусу на обох концах.Ето не небезпечно, тому що по екрану сигнал не ідет.Діфференціальний підсилювач використовується, як і раніше, на приймальному конце.Еслі передається логічний сигнал, то має сенс передавати диференціальний сигнал (сигнал і його інверсію), як показано на малюнку.
На радіочастотах відповідний спосіб придушення синфазного сигналу на приймальному кінці дає трансформаторна зв'язок; вона також полегшує отримання диференціального біполярного сигналу на передавальному конце.Трансформатори також популярні в звуковій апаратурі, хоча вони громіздкі і ведуть до певного перекручування сигналу.
Для дуже довгих кабельних ліній (вимірюваних кілометрами) корисно вжити заходів проти великих струмів в екранах на радіочастотах.Способ досягнення цього показаний на ріс.5.Как було показано вище, диференціальний підсилювач працює з кручений парою і на нього не впливає напруга екрана.Путем зв'язку екрану через невелику котушку індуктивності з корпусом вдається зберегти мала напруга постійного струму, а великі радіочастотні струми ісключіть.На. тій схемі також показана захист від виходу синфазного напруги за межі В.

Хороша схема захисту багатодротової кабелю, в якому вимагається виключити синфазні наведення, показана на ріс.6.Так як у всіх сигналів наводка одна і та ж, то єдиний провід, підключений до землі на передавальному кінці, служить для компенсації синфазних сигналів у всіх n проводах сигналу. Просто цей сигнал зчитується по відношенню до землі на приймальному кінці і використовується як опорний вхідний сигнал для всіх n диференціальних підсилювачів, що працюють з іншими сигналами.
Наведені схеми добре пригнічують синфазні перешкоди на низьких і середніх частотах, але проти РЧ-перешкод вони можуть виявитися неефективними через низький КОСС в приймальному диференціальному підсилювачі.
Плаваючий джерело сигналу. Та ж неузгодженість напруг заземлення в різних місцях проявляється ще більш серйозно на входах низького рівня, оскільки там сигнали дуже малі [6]. Якщо заземлити екран на обох кінцях, то різниця напруги заземлення з'явиться в якості сигналу на вході усілітеля.Лучше всього відокремити екран від заземлення в джерелі (рис.7).
Ізолюючі підсилювачі. Іншим рішенням пов'язаних із заземленням проблем є використання "ізолюючого підсилювача". Ізолюючі підсилювачі-готові пристрої, призначені для передачі аналогового сигналу (з смугою частот, що починається від постійного струму) від схеми з одним опорним рівнем заземлення до іншою схемою, яка має абсолютно іншу землю (рис.8). На практиці в деяких екзотичних ситуаціях потенціали цих "земель" можуть відрізнятися на багато кіловольт.Прімененіе ізолюючих підсилювачів обов'язково в медичній електроніці-там, де електроди прикладаються до тіла людини, з тим, щоб повністю ізолювати такі контакти від вимірювальних схем, що харчуються безпосередньо від мережі змінного струму.
Захист сигналу. Це також спосіб зменшення ефектів вхідної ємності і витоків при малих сигнали і великому повному сопротівленіі.Еслі ми працюємо із сигналами від мікроелектродів або ємнісних датчиків з внутрішнім повним опором у сотні мегаом, то навіть вхідні ємність в кілька пікпфарад може в цьому випадку спільно з цим опором обрразовать фільтр нижніх частот зі спадом, що починаються з декількох герц.К того ж кінцеве значення опору ізоляції в соединительном кабелі легко може на порядки погіршити робочі параметри підсилювача з наднизьким струмом вхідного сигналу (струм зміщення менше пікоампер) за рахунок утечек.Обе ці проблеми вирішуються шляхом використання захисного електрода (рис.9).
Внутрішній екран з'єднаний з повторювачем; це ефективно виключає струми і резистивних, і ємнісних витоків за рахунок нульової різниці потенціалів між сигнальним прроводом і його окруженіем.Внешній заземлений екран оберігає від перешкод захисний електрод; не доставляє клопоту робота повторювача на ємність і витік між екранами, т . к. у повторювача мале повне вихідний опір.
Цей прийом не слід застосовувати частіше, ніж це необхідно; має сенс ставити повторювач якомога ближче до джерела сигналу, захищаючи лише невеликий відрізок кабелю, що з'єднує сигнал після повторювача з його низьким повним вихідним опором до віддаленого підсилювача можна і по звичайному екранованому кабелю.
Методи звуження смуги пропускання.
Ці заходи приймаються для поліпшення відношення сигнал / шум. Ми звужуємо ширину смуги пропускання і зберігаємо тим самим потрібний сигнал, скоротивши одночасно загальна кількість прийнятих шумових сигналів.
Відомо кілька методів звуження смуги пропускання, що набули широкого поширення на практиці:
-Усереднення сигналу,
-Перехідний усереднення,
-Метод інтегрування,
-Багатоканальне ущільнення,
-Амплітудний аналіз імпульсів,
-Детектування із захопленням,
-Фазовий детектування.
Всі ці методи припускають, що сигнал є періодичним [7].
Ми не будемо розглядати ці методи.
Класифікація перешкод в пристроях ЕОМ.
Боротьба з перешкодами набуває все більшої актуальності з багатьох причин, ось деякі з них:
-Зростання частки затримок сигналів в лініях зв'язку в порівнянні з затримками власне логічних елементів, обумовлює кінцівкою швидкості поширення сигналів в лініях зв'язку та перехідними поцессом в них,
- Зростаюча залежність швидкодії ЕОМ, правильності її функціонування від оптимальності вибору конструктивного виконання ліній зв'язку та прийняття відповідних схемотехнічних заходів,
-Зростання взаємного впливу між елементами і лініями зв'язку через збільшення щільності розміщення елементів компонентів.
1.Лініі зв'язку. Лінії зв'язку (ЛЗ) помітно впливають на процеси передачі інформаціі.Вліяніе ЛЗ визначається її тіпом.В залежно від співвідношення тривалості фронту переданого сигналу і часу поширення його по ЛЗ останні поділяють у разі аналізу перешкод на електрично короткі і електрично довгі лінії .
Лінія зв'язку вважається електрично короткою лінією, якщо ,
де і -Час спаду і наростання переданого сигналу
відповідно;
l-довжина лінії зв'язку;
vp-швидкість поширення сигналу в лінії зв'язку.
На практиці беруть
,
де e-діелектрична постійна середовища;
С0 = 300000 км / с.
Лінія зв'язку вважається електрично довгою лінією, якщо
.

Уточнимо поняття перешкоди для обчислювального пристрою: це зовнішнє або внутрішнє вплив, що приводить до спотворення дискретної інформації під час її зберігання, перетворення, обробки та передачі.
2. За характером впливу на дискретну інформацію перешкоди в пристроях ЕОМ, що виконуються на ІС, проявляються як затримки передачі імпульсів, спотворення фронтів імпульсів, спотворення рівнів переданих потенціалів, зменшення амплітуд переданих імпульсів, постійні зміщення рівнів напруги живлення.
3.За джерела створення перешкод їх доцільно розділяти на перешкоди зовнішні, як правили, наведення, створювані зовнішніми по відношенню до розглянутого пристрою апаратами, пристроями, умовами експлуатації, і перешкоди внутрішні, що обумовлюються конкретним виконанням ліній зв'язку в даному пристрої.
4.По місцем прояву перешкоди можуть бути поділені на перешкоди в сигнальних лініях зв'язку і в ланцюгах пітанія.Відом прояви внутрішніх перешкод в електрично коротких ЛЗ є затримки сигналів через ємнісного або індуктивного характеру лінії зв'язку, ємнісні та індуктивні взаємні наведення між сигнальними провідниками, а внутрішніх перешкод в електрично довгих ЛЗ-затримки передачі сигналів, спотворення форми переданих сигналів через відображень, взаємні наведення між лініями зв'язку, загасання сигналів.
Перешкоди в ланцюгах харчування та заходи щодо їх зменшення.
1.До проявам перешкод у ланцюгах живлення відносять: постійні зміщення рівня шини "земля", що обумовлюються її активним опором; імпульсні ЕРС, викликані динамічними струмами споживання ІС в індуктивності шин "земля" і "харчування", динамічними струмами перезаряду "паразитних" ємностей ліній зв'язку; періодичні коливання напруги живлення, що викликаються реактивним характером ланцюгів харчування.
2.Статіческіе перешкоди в колах пітанія.П омехі в ланцюгах харчування можливі через падіння напруги на активному опорі шин "земля" і "харчування" при протіканні по них постійних струмів; виникнення ЕРС самоіндукції в ланцюзі шин харчування прри протіканні по них імпульсних струмів ; "повільних" коливальних процесів в шинах харчування при "кидках" струму навантаження.
Щоб звести до мінімуму "постійну" перешкоду, необхідно вибрати таку конструкцію шин "земля", при якій падіння на неї напруги від постійного струму було б менше наперед заданого допустимого значення Uпом.доп., Що розраховується з умови забезпечення перешкодозахищеності пристрою.
Розглянемо випадок, коли n однакових логічних елементів мають одну загальну шину "земля", приєднану до нульової точки на одному кінці шини (рис.10). Очевидно, що в найгіршому режимі з точки зору перешкодозахищеності працює n-й елемент, оскільки його реальна статична перешкодозахищеність зменшується в порівнянні з номінальною (паспортної) на значення падіння напруги на шині "земля" в точці його приєднання і для n-го елемента це падіння напруги складає максимальне значення U = пом.
Величина U = пом. наближено розраховується за схемою ріс.10б.
Позначаючи через DRш опір ділянки загальної шини "земля" між 2ма розташованими поруч мікросхемами, а через Iіп-ток споживання однієї мікросхеми, можна записати:
U = пом .= DRшnIіп + DRш (n-1) Iіп +...+ DRшIіп = DRшIіп (1 +2 +...+( n-1) + n) =
= DRшIіп (n +1) 2.
Переймаючись з умови забезпечення перешкодозахищеності пристрої допустимим падінням напруги на шині "земля" Uпом.доп., Неважко обчислити допустимий опір ділянки шини "земля" DRшдоп. і сформулювати вимоги до конструкції шини "земля":
DRшдоп.Iіп Uпом.доп. або DRшдоп. £ 2Uпом.доп / (Iіп (n +1) n).
Конструктивними заходами щодо зменшення постійних перешкод слід вважати:
-Збільшення перерізу шини "земля";
- Збільшення числа заземлюючих точок, що зменшує довжину загальних ділянок протікання струму елементів (рис.11);
-Застосування заземлених мідних листів, до яких припаюються всі зворотні проводи осередків або модулів;
-Застосування навісних шин харчування;
-Використання для підведення живлення окремих шарів багатошарової друкованої плати.
3.Імпульсние перешкоди в ланцюгах харчування. Вони обумовлюються головним чином короткочасне зростання ("кидками") струмів споживання інтегральних мікросхем при перемиканні останніх з одного логічного стану в інший і, по-друге, динамічними струмами перезаряду паразитних ємностей сигнальних ліній зв'язку (власних ємностей сигнальних провідників щодо шини "земля"). Ці відносно великі за значенням і короткі за тривалістю струми [8], протікаючи по шині "земля" ланцюги харчування, викликають на індуктивності загальних шин "земля" імпульсні падіння напряженія.Последніе, докладені до входу мікросхем, діють як імпульсні помехі.Рассмотрім механізм виникнення імпульсних перешкод для обох випадків.
Для вивчення причин виникнення імпульсних перешкод через кидків струму споживання ІС розглянемо таку конструкцію шин живлення, коли n однакових елементів підключені до шин "харчування" і "земля" через якийсь рівну відстань, причому n-1 будь-яких елементів одночасно переключається з одного стійкого стану в інше, а на вхід одного, наприклад
n-го, елемента (рис.12) підключений сигнал логічного нуля U вх.

Перейдемо до розрахункової еквівалентної схеми (ріс.12б):
DLш-індуктивність ділянки шини "земля" між 2ма
розташованими поруч мікросхемами,
iіп-змінна складова струму споживання,
Активним опором шин "земля" нехтуємо.
У загальному випадку струм споживання мікросхеми різко зростає в моменти її перемикання (ріс.12в). Ідеалізуючи форму змінної складової струму споживання (ріс.12г), легко розрахувати ЕРС самоіндукції eпом, що виникає в шині "земля" (ШЗ) при зміні струму споживання:
eпом = eпомi (t) = eпом1 + eпом2 +...+ eпом (n-1),
де eпомi-ЕРС перешкоди, що виникає на ділянці ШЗ, що з'єднує i-у мікросхему з (i-1) й мікросхемою.
Наближено | eпом1 | = 2DLш DIіп,
| Eпом2 | = 2DLш DIіп,
..................
| Eпом (n-1 | = 2DLш DIіп, де t-час перемикання.
З урахуванням цього маємо:
eпом = 2DLш DIіп [(n-1) + (n-2 )+...+ 2 +1] / t = 2DLш DIіп × n (n-1) / t.
Переймаючись допустимим значенням імпульсної перешкоди на вході елемента через перешкоди по ланцюгу харчування eпом.доп, неважко
розрахувати допустиме значення індуктивності шини харчування ШП, отже, сформулювати конструктивні вимоги до ланцюгів харчування:
DLш.доп £ eпом.доп t / DIіп × n (n-1).
Зменшення імпульсної перешкоди в ланцюгах харчування досягається або вибором елементів з малими кидками струмів при перемиканні, або при заданій системі елементів шляхом зменшення індуктивності загальної шини живлення, що, у свою чергу, може бути досягнуто:
-Збільшенням числа заземлюючих точок,
-Застосуванням заземлених мідних листів,
-Використанням для підведення живлення багатошарової друкованої
плати,
-Вибором відповідної конструціі ШП (наприклад, ріс.12д),
-Застосуванням індивідуальних конденсаторів розв'язки [9].


Забезпечення перешкодозахищеності апаратурних засобів обчислювальної техніки.
1.Уменьшеніе перешкод в апаратурі, зібраної на інтегральних мікросхемах. Для придушення перешкод, викликаних ударами блискавки в силові лінії, перемиканнями реле, перехідними процесами при пуску електродвигуна, електричними розрядами в апаратурі або поблизу неї, високочастотними полями і т.д. необхідна ретельна опрацювання ланцюгів живлення, заземлення, екранування, топології друкованих плат з урахуванням конкретних характеристик інтегральних схем.
Необхідно пам'ятати, що ІС ТТЛ-типу, що представляють собою струмові прилади з малим вхідним опором, особливо чутливі до різниці потенціалів ланцюгів живлення між окремими ІС, що виникає через паразитних струмів.
ІС МДП-типу управляються напругою і мають високий вхідний мала вихідний опір, тому вони особливо чутливі до випромінюваним помехам.Вторічная чутливість до паразитних струмів виникає в результаті перешкод від сусідніх провідників, по яких передаються імпульсні сигнали.
Лінійні ІС мають високий вхідний мала вихідний сопротівленія.В відміну від цифрових ІС для лінійних ІС не вказуються діапазони напряженій.Шумовие викиди можуть просочуватися в підсилювач з високим коефіцієнтом посилення по шинах живлення.
Для зменшення сприйнятливості апаратури на ІМС до електромагнітних перешкод на практиці необхідно:
1.Максімально застосовувати розв'язку по ланцюгу харчування, підключаючи конденсатори індивідуальної розв'язки до окремих мікросхем або групам мікросхем.
2.Вибірать достатню ширину друкованих провідників шин харчування.
3.Не плутати шину "земля" з "загальною шиною" системи (зворотний провід джерела живлення). ШЗ не повинна використовуватися для передачі мощності.Проводнікі "земля" і "загальний" необхідно з'єднувати лише в одній точці ситеми, інакше утворюється замкнутий контур, випромінюючий перешкоди в схему.
4.Пітать ланцюга, що споживають великий струм, від окремого істочніка.В цьому випадку змінні складові струму живлення не проникають в шини, що підводять живлення до малопотужним логічним схемам.Следует мати на увазі, що провідники, передають різкі зміни струму, індуктивно пов'язані з сусідніми провідниками , а останні передають фронти напружень через ємнісні зв'язки сусіднім ділянкам схеми.В зв'язку з цим розміщення таких провідників треба приділяти особливу увагу.

5.Вибірать резистори витоку з мінімальним опором, що допускаються з точки зору потужності споживання або інших условій.Ето особливо важливо в ІС
МДП-типу.
6.В пристроях, побудованих на ІВ ТТЛ-типа, невикористовувані логічні входи треба підключити до позитивної шині "харчування" через резистор 1 КОм.В пристроях на МДП ІС невживані логічні входи підключаються відповідно до позитивної або негативної шинам, тому що в іншому випадку може виникнути стан невизначеності в роботі ІС.
7.Пріменять в лінійних пристроях резистори і конденсатори, що мають допуск на розкид параметрів до 1%. Виняток можуть становити резистори витоку і конденсатори блокуючих ланцюгів, де допускається 20%-ний розкид параметров.По закінчення розробки слід вивчити вплив зміни параметрів компонентів на роботу схеми.
Якщо вказані заходи не дають бажаного ефекту, можна застосувати фільтрацію мережевого напруги і екранування. Корпуси з металу або з проводять покриттям, як уже говорилося, в значній мірі послабляють зовнішні перешкоди. Вікна, утворені індикаторами, шкалами або вимірювальними приладами, можна закрити мідними екранамі.Фільтри напруги мережі забезпечують захист від перешкод із силової мережі, але їх необхідно узгодити з апаратурою.
Такі загальні рекомендації; розглядати ж що-небудь більш визначене не має сенсу, тому що для елементів різних типів (КМДП, ТТЛ, ЕСЛ ...) заходи щодо зменшення перешкод, незважаючи на всю схожість, різні.

Висновок.
  Надійність і достовірність роботи електронних обчислювальних машин в істотному ступені визначаються їх перешкодозахищеністю по відношенню до зовнішніх і внутрішніх, випадковим і регулярним помехам.От правильного вирішення завдання забезпечення завадостійкості елементів і вузлів ЕОМ залежать як строки її розроблення, виготовлення та наладки, так і нормальне її функціонування в процесі експлуатаціі.Наіболее успішна боротьба з перешкодами можлива лише в тому випадку, коли розробка електричних схем і конструкцій елементів і вузлів ЕОМ нерозривно пов'язані.
Аналогічний підхід справедливий і для всіх інших пристроїв.
Методів зниження шумів в пристроях і підвищення завадостійкості пристроїв на порядок більше, ніж самих шумів і видів перешкод, тому що для кожної конкретної схеми існують свої оптимальні методи зменшення перешкод.
Це жахливо з точки зору перебору і застосування методів, крім того, вимагає великої практичної вправності; але все, чого ми можемо домогтися-лише в тій чи іншій мірі придушити шум або перешкоду.

Література.
1.П.Хоровіц, В. Хілл.
  Мистецтво схемотехніки-М: Світ, 1993 р., т.т.2, 3.
2.Л.Н.Преснухін, Н. В. Воробйов, А. А. Шішкевіч.
  Розрахунок елементів цифрових пристроїв-М: ВШ, 1991 р.

Література.
1.П.Хоровіц, В. Хілл.
  Мистецтво схемотехніки-М: Світ, 1993 р., т.т.2, 3.
2.Л.Н.Преснухін, Н. В. Воробйов, А. А. Шішкевіч.
  Розрахунок елементів цифрових пристроїв-М: ВШ, 1991 р.


[1] згадані нижче без розгляду.
[2] один танталовий, інший дисковий керамічний.
[3] схемна "Мекка" заземлення.
[4] силові лінії живлення-хороша антена
[5] це може бути, наприклад, стандартний неінвертуючий ОУ, як показано на схемі.
[6] прикладом є головка магнітофона або інше джерело сигналу, для якого потрібна екранована сигнальна лінія.
[7] умова легко здійсненно, тому що майже завжди сигнал можна зробити періодичним.
[8] іноді сотні міліампер за одиниці наносекунд.
[9] Ідея застосування конденсаторів розв'язки для зменшення імпульсних перешкод у ланцюгах харчування полягає у введенні індивідуальних для кожної ІС джерел енергії, роль яких виконують конденсатори з малої власної індуктівностью.Оні дозволяють локалізувати протікання динамічних струмів споживання в рамках ланцюга мікросхема-ДКР.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Комунікації, зв'язок, цифрові прилади і радіоелектроніка | Реферат
72.9кб. | скачати


Схожі роботи:
Серцеві шуми
Шуми та чутливість приймальних пристроїв
Шуми у роботі приймачів та детекторів
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru