Шумы - электроника

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[1].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  

 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)

  (Гц×Ом),

 В/Гц=1,27×В/Гц                                       мкв/Гц.

 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=Ö2qIпостB,где

  q-заряд электрона(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[2],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[3],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[4],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[5].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.

1	2	3