Фильтрация

Фильтры используют для борьбы с кондуктивными помехами. Фильтрация помех в каскадах радиоэлектронной аппаратуры препятствует передаче помех в другие узлы и устройства по проводам, соединяющим эти устройства. Фильтры применяют также для подавления симметричных и несимметричных помех в проводах и кабелях между платами и блоками радиоэлектронных и других технических средств и в кабелях между техническими средствами. Наряду с другими методами борьбы с помехами, назначение фильтров состоит в том, чтобы защитить полезные процессы, происходящие в технических средствах. В частности, высококачественные приборы должны быть спроектированы так, чтобы иметь требуемую помехоустойчивость и выдерживать определенные уровни и виды электромагнитных помех, включая помехи на радиочастотах.

По аналогии с экраном, создающим для экранируемого поля скачок волнового сопротивления в пространстве распространения, фильтр работает, создавая скачок сопротивления для помехи, распространяющейся по проводу. Чем больше скачок на какой-либо частоте, тем больше ослабление этой частоты. Основной характеристикой фильтра, определяющей его фильтрующие свойства, является его частотная характеристика, описывающая зависимость ослабления от частоты.

Фильтры применяют, как для локализации помех в местах их возникновения, так и для подавления помех в проводах и кабелях на путях их распространения для повышения помехоустойчивости устройств, обрабатывающих полезные сигналы. Для фильтрации помех могут быть использованы фильтры, состоящие из одного элемента: резистора (с сопротивлением R), конденсатора (емкостью С) или катушки индуктивности (с индуктивностью L), - или более сложные фильтры, образованные из комбинаций перечисленных элементов. К ним относятся RC и LC фильтры, Т и П-образные фильтры, составленные из элементов L и C (рис. 4.2), и другие более сложные конструкции.

В цифровых устройствах, реализуемых на печатных платах, на образование электромагнитной помехи от токов переходных процессов на уровне кристалла влияют частота тактовых импульсов, их форма, скважность и технология изготовления интегральной схемы (кристалла). Переходный процесс в цифровых устройствах характеризуется выбросами токов и напряжений, в том числе и в шинах питания. Время нарастания и спада фронтов импульсов и продолжительность переходного процесса зависят от широкополосности используемых логических элементов, которая во многом определяется технологией их изготовления. Для подавления электромагнитных помех стремятся использовать по возможности более простые фильтры, если они обеспечивают требуемое значение подавления помехи. Обычный подход к снижению переходных токов в цифровых устройствах состоит в том, что для интегральной схемы используется развязывающая емкость, подключаемая между шиной, подводящей питание к схеме, и землей.

Часто один конденсатор не может дать желаемой рабочей характеристики в нужной полосе частот. Значительного улучшения характеристики подавления помех можно достичь, используя совместно с конденсатором индуктивность. Удобным способом получения нужного значения индуктивности является применение ферритового сердечника. Существуют разнообразные формы ферритов, использование которых определяется требуемой рабочей характеристикой. К типовым конструкциям принадлежат ферритовые шайбы, монтируемые на поверхности проводов, шайбы для печатных плат, которые могут быть использованы также для фильтрации вход/выход, и некоторые другие.

Использование феррита для каждой микросхемы нерационально, поскольку ферриты могут пропускать больший ток, чем потребляет одна микросхема. Более рациональным представляется подход, при котором плата разбивается на зоны. Один феррит может обеспечить фильтрацию питания нескольких микросхем в одной зоне. Разбиение на зоны дает возможность сделать фильтрацию более эффективной: у каждой микросхемы могут быть использованы более маленькие развязывающие емкости, а на входе питания в зону феррит может соединяться с большей емкостью.

Нет ни одного феррита, который подошел бы к любой ситуации. Выбор зависит от требований зоны, включая ширину полосы частот, которая определяется значениями основной и дополнительных емкостей и значением индуктивности. В настоящее время используются несколько вариантов ферритов, некоторые из которых представлены на рис. 4.3 [74]:

а) ферритовая шайба с одним отверстием, надеваемая на провод. Это самая простая структура, подобная резистору. Имеет небольшие габариты. Отличается значительной широкополосностью и малой паразитной емкостью;

б) ферритовые шайбы с большим числом отверстий. Эти шайбы обладают большей гибкостью, чем шайбы с одним отверстием. Они позволяют строить как многовитковые индуктивности, так и несколько индуктивностей на одном сердечнике;

в) ферриты, устанавливаемые на поверхности с J-образными выводами кристаллодержателя. Имеют малые габариты. Подходят для линий питания постоянным током и линий передачи с низкой скоростью.

Для поддержания электрической непрерывности между компонентами, такими , например, как кабель питания и устройство, на которое это питание поступает, используют соединители. Существует большое число фильтров, которые могут применяться для подавления помех в соединителях, не нарушая электрической непрерывности соединения для полезного сигнала. Хорошим способом защитить прибор или схему от проникновения помех по проводам питания и входа/выхода является использование специальных разъемов с встроенными радиочастотными фильтрами. Простая катушка индуктивности (дроссель) может работать как фильтр, подавляя в проводнике нежелательные токи на радиочастотах. При подаче питания сквозь стенку экрана на экранированные схемы часто используют проходные конденсаторы. Для подавления помех, создаваемых в монтажных соединениях промышленного оборудования средствами телекоммуникаций в широкой полосе частот, используют целостные сборки элементов ввода/вывода с встроенными керамическими фильтрами с распределенными параметрами.

Разнообразные фильтры используются для подавления симметричных и несимметричных помех в сетях питания. В качестве наиболее простых фильтров здесь также применяют индуктивности или емкости. Достаточно грубыми, но полезными правилами по выбору фильтров для подавления симметричных и несимметричных помех могут служить следующие рекомендации [75]:

- если источник помехи имеет высокое полное сопротивление, а помеха является симметричной, ее можно ослабить, используя шунтирующий конденсатор между прямым и обратным проводом;

- если источник помехи имеет низкое полное сопротивление, а помеха является симметричной, то для ее ослабления следует использовать индуктивность, включенную в провод последовательно. Для сохранения симметрии защищаемой линии и для получения хорошей рабочей характеристики по высокой частоте индуктивности следует включать в прямой и обратный провод;

- если источник помехи имеет высокое полное сопротивление, а помеха является несимметричной, то для каждого провода в линии следует использовать идентичные шунтирующие емкости, подключенные между проводом и землей;

- если источник помехи имеет низкое полное сопротивление, а помеха является несимметричной, для подавления помехи следует использовать индуктивности в каждом проводе.

Правила достаточно грубые, поскольку не определяют понятий «высокое» и «низкое» сопротивление.

Хотя простые элементы, индуктивность и емкость, могут в ряде случаев дать хорошие результаты по подавлению помех, чаще используют более сложные фильтры, составленные из индуктивностей и емкостей. Они могут иметь различное схемное решение. На рис. 4.4 представлен вариант использования LC фильтров для подавления как симметричной, так и несимметричной помехи. Здесь фильтр LC₁L обеспечивает ослабление симметричной помехи, а фильтры LC₂ ослабляют несимметричную помеху.

Экранирование и фильтрация – взаимно дополняющие методы борьбы с помехами. Снижение эффективности экранирования увеличивает токи помех, наведенные на элементы и кабели радиотехнических и электронных устройств. Снижение эффективности фильтрации увеличивает токи помех на элементах схем и в кабелях, соединяющих блоки и устройства, что, в свою очередь, приводит к росту уровней излученных помех. Совместное использование экранирования и фильтрации позволяет успешно подавлять как помехи излучения, так и кондуктивные помехи.