Шумы - электроника

Содержание. -Введение -Шумы усилителей происхождение и виды шумов -Помехиэкранирование 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 упомянуты ниже без рассмотрения Другие виды шуманапример, помехи на радиочастоте и петли заземленияможно 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 сигналпомехано чаще всего этот термин означает случайный шум физическойчаще всего тепловойприроды. Шум характеризуется своим частотным спектром, распределением амплитуды и источникомпроисхождением. Рассмотрим основные виды шумов.

Джонсоновский шум. Любой резистор на плате генерирует на своих выводах некоторое напряжение шума, известное как шум Джонсонатепловой шум. У него горизонтальный частотный спектр, т.е. одинаковая мощность шума на всех частотахдо 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 температуре293 К ГцОм, ВГц 1, ВГц мквГц. Шум Джонсона устанавливает нижнюю границу напряжения шумов любого детектора, источника сигнала или усилителя, имеющего резистивные элементы. Активная составляющая полного сопротивления источника порождает шум Джонсонатак же действуют резисторы цепей смещения и нагрузки усилителя.

Дробовой шум. Электрический ток представляет собой движение дискретных зарядов, а не плавно непрерывное течение. Конечностьквантованностьзаряда приводит к статическим флуктуациям тока. Если заряды действуют независимо друг от друга, то флуктуирующий ток определяется формулой Iш.эфф. Iш. R2qIпостB,где q-заряд электрона Кл, Iпост-постоянная составляющаяустановившееся 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 1f 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 1fпостоянная мощность на декаду частоты и иногда называется розовым шумом.

Помехиэкранирование 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 пикаили ряда пикови 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 проводамиэлектростатическая связь-наиболее серьезный эффект для точек схемы с большим полным сопротивлениемили через магнитную связь с замкнутыми контурами внутри схемынезависимо 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 сигналаили сигналовпомехи, редко когда помеха уничтожается совсем. Поэтому имеет смысл повысить уровень сигнала просто для увеличения отношения сигналшум. Большое значение также имеют и внешние условияприбор, 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 телестанцийРЧ-помехи соседство линий метроимпульсные помехи и мусор в линии питания, -близость высоковольтных линийрадиопомехи, шипение, -близость лифтов и электромотороввсплески в линии питания, -здания с регуляторами освещения и отоплениявсплески в линии питания, -близость оборудования с большими трансформаторами магнитные наводки, -особенно близость электросварочных аппаратовнаводки 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 выходемногие 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 связив 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 сделатьЛучше всего уменьшить емкость между этими точкамиразнеся их, добавить экранцельнометаллический футляр или даже металлическая экранирующая оплетка исключает этот вид связи, придвинуть провода вплотную к плате заземлениякоторая глотает электростатические пограничные поля, очень сильно ослабляя связьи, 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 наводкамголовки магнитофонов, катушки индуктивности, проволочные сопротивления, может оказаться желательным магнитное экранирование. Если внешнее магнитное поле велико, то лучше применять экран из материала с высокой магнитной проницаемостьюнапример, 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 один танталовый, другой дисковый керамический 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

Если входной каскад имеет недостаточно высокий коэффициент ослабления ... надо следить, где протекают большие токи сигнала и смотреть, чтобы они... Сигналы выского уровня. 2. 3.По источнику создания помех их целесообразно разделять на помехи вне...

Статические помехи

и сформулировать требования к конструкции шины земля Rшдоп. Эти относительно большие по значению и короткие по длительности токи и... Последние, приложенные ко входу микросхем, действуют как импульсные по... В устройствах на МДП ИС неиспользуемые логические входы подключаются с... По окончании разработки следует изучить влияние изменения параметров к...

Заключение.

Надежность и достоверность работы электронных вычислительных машин в существенной степени определяются их помехозащищенностью по отношению к внешним и внутренним, случайным и регулярным помехам. От правильного решения задачи обеспечения помехоустойчивости элементов и узлов ЭВМ зависят как сроки ее разработки, изготовления и наладки, так и нормальное ее функционирование в процессе эксплуатации. Наиболее успешная борьба с помехами возможна лишь в том случае, когда разработка электрических схем и конструкций элементов и узлов ЭВМ неразрывно связаны.

Аналогичный подход справедлив и для всех прочих устройств.

Методов снижения шумов в устройствах и повышения помехоустойчивости устройств на порядок больше, чем самих шумов и видов помех, т.к. для каждой конкретной схемы существуют свои оптимальные методы уменьшения помех.

Это ужасно с точки зрения перебора и применения методов, кроме того, требует большой практической сноровкино все, чего мы можем добиться-лишь в той или иной степени подавить шум или помеху.

Литература. 1.П.Хоровиц,У.Хилл. Искусство схемотехники-ММир,1993 г т.т.2,3. 2.Л.Н.Преснухин,Н.В.Воробьев,А.А.Шишкеви ч. Расчет элементов цифровых устройств-МВШ,1991 г. Литература. 1.П.Хоровиц,У.Хилл. Искусство схемотехники-ММир,1993 г т.т.2,3. 2.Л.Н.Преснухин,Н.В.Воробьев,А.А.Шишкеви ч. Расчет элементов цифровых устройств-МВШ,1991 г.