Методы снижения паразитных связей

Для снижения наводок необходимо устранять или ослаблять до допустимых значений паразитные связи. В первую очередь ослабление паразитных связей должно производиться прямым уменьшением и Способы уменьшения паразитных связей в принципе несложны:

· размещение вероятных источников и приемников наводок на максимально возможном расстоянии друг от друга;

· уменьшение габаритов токонесущих элементов, обеспечивающих минимум паразитной связи (для получения минимальной взаимной индуктивности катушек индуктивности их оси должны быть взаимно перпендикулярны);

· сведение к минимуму общих сопротивлений;

· изъятие посторонних проводов, проходящих через несколько узлов или блоков, которые могут связать элементы, расположенные достаточно далеко друг от друга;

· при невозможности исключения посторонних проводов, создающих паразитную связь, необходимо позаботиться о том, чтобы при емкостной паразитной связи сопротивление постороннего провода относительно корпуса было минимальным, при индуктивной паразитной связи необходимо увеличивать внутреннее сопротивление посторонней линии связи, в последнюю очередь установить экраны и развязывающие фильтры. Экранирование — это локализация электромагнитной энергии в пределах определенного пространства путем преграждения ее распространения. Развязывающий фильтр — это устройство, ограничивающее распространение помехи по проводам, являющимся общими для источника и приемника наводки.

Введение экранов часто требует существенного изменения компоновки, конструкции, а иногда и габаритных размеров изделия, поэтому конструктор должен ясно понимать физическое действие каждой детали экрана, влияние любого элемента конструкции на значение паразитных связей. Необходимо совмещать элементы экранов с элементами несущей конструкции. Общая рекомендация сводится к тому, что на начальном этапе конструирования необходимо принимать все возможные меры для снижения па­разитных связей, а уже потом в ходе экспериментальной доводки изделия убрать те элементы, которые оказались лишними. Исключить какой-либо элемент из готового изделия проще, чем добавить.

Подавление емкостных паразитных связей. Емкостная паразитная связь между двумя электрическими цепями возникает через ближнее электрическое поле. Для снижения паразитной емкости между электрическими цепями вводится токопроводящий экран, соединенный с общим проводом и замыкающий на общий провод большую часть электрических силовых линий (рис. 4.30). В соответствии с этим наводка из второго канала в первый при отсутствии экрана

.

Рис. 4.30 – Принципиальная схема экранирования

Введением экрана, имеющего сопротивление, равное нулю относительно общего провода, теоретически наводку можно снизить до нуля. Практически же всегда из-за наличия проводников и технологических отверстий и возникновения краевых эффектов имеется остаточное ближнее электрическое поле и, следовательно, остаточная емкость тогда наводка

Эффективность экранирования

(4.9)

Выражение (4.9) является приближенным, так как изменение С влияет на постоянную времени Т, однако это влияние настолько мало, что им можно пренебречь. При экранировании электрического поля очень важно создать низкое сопротивление экрана относительно корпуса (общего провода). Появление любого сопротивления, особенно индуктивного, в цепи соединения экрана с общим проводом создает эффект паразитной связи через посторонний провод, поэтому все металлические элементы конструкции тщательно соединяются между собой и общим проводом.

Подавление индуктивных паразитных связей. Паразитная индуктивная связь возникает между электрическими цепями через ближнее магнитное поле. Для снижения магнитных полей используют два вида экранирования — магнитостатическое и динамическое.

Магнитостатическое экранирование или экранирование шунтированием магнитного поля основано на применении экранов из ферромагнитных материалов с большой магнитной проницаемостью. Линии магнитного поля как бы втягиваются в материал с более высокой магнитной проницаемостью, в результате внутри экрана поле ослабляется. Эффективность магнитостатического экранирования зависит от магнитного сопротивления экрана:

,

где — относительная магнитная проницаемость;

h— толщина стенок экрана;

D— диаметр эквивалентного сферического экрана. Для экрана в форме куба здесь — размер стороны куба.

Эффективность магнитостатического экранирования не зависит от частоты в тех пределах, в которых от частоты не зависит магнитная проницаемость материала экрана. Эффективность экранирования снижается при наличии в конструкции экрана стыков и швов, идущих поперек линий магнитного поля и снижающих эффективное значение магнитной проницаемости экрана. Магнитостатическое экранирование имеет невысокую эффективность: Э = 2 — 5, им пользуются на низких частотах, на которых мала эффективность динамического экранирования.

Физический смысл динамического экранирования заключается в том, что переменное магнитное поле ослабляется по мере проникновения в металл с малым электрическим сопротивлением (медь, алюминий и т. д.), так как внутренние слои экранируются вихревыми токами, возникающими в слоях, расположенных ближе к поверхности. Экранирующее действие вихревых токов определяется двумя факторами: обратным полем, создаваемым токами, протекающими в экране, и поверхностным эффектом в материале экрана.

Вследствие экранирования внутренних слоев вихревыми токами, циркулирующими в поверхностных слоях, переменное магнитное поле ослабляется по толщине материала экрана. Это вызывает неравномерное распределение токов по толщине экрана, называемое поверхностным эффектом:

где — плотность тока на глубине X и на поверхности экрана;

где - эквивалентная глубина проникновения тока;

— удельное сопротивление материала экрана;

- относительная магнитная проницаемость;

— абсолютная магнитная проницаемость вакуума;

— круговая частота.

На частотах, на которых толщина действуют оба фактора, и эффективность экранирования

(4.10)

где h — толщина стенок экрана;

D — ширина прямоугольного экрана или диаметр цилиндрического;

— коэффициент формы. Для прямоугольного экрана , для цилиндрического , для сферического

На очень высоких частотах, где , значение суммы в круглой скобке уравнения (4.10) всегда больше 1/2, что позволяет упростить выражение:

(4.11)

Из (4.11) проще получить формулу для расчета минимальной толщины стенок экрана, обеспечивающей эффективность экранирования не ниже заданной:

(4.12)

На низких частотах или при малой толщине экрана влияние поверхностного эффекта ниже, и эффективность экранирования

Экранирование проводов и катушек индуктивности. При экранировании реальных элементов, например трансформаторов, катушек индуктивности, проводов, обычно требуется одновременное экранирование от электрических и магнитных полей. Желательно в качестве электрических и магнитных экранов использовать одни и те же элементы конструкции, но при этом следует учитывать, что они действуют по-разному.

Токи, протекающие по экрану под действием высокочастотного магнитного поля, во много раз больше токов, возникающих под действием электрического поля. Поэтому эффективность электрического экрана не зависит от проводимости материала экрана, его магнитной проницаемости и частоты колебаний электрического поля.

На эффективность магнитного экранирования не влияет наличия контакта с общим проводом, но эффективность электрического экрана однозначно определяется наличием хорошего электрического соединения с общим проводом. Для одновременного экранирования электрического и магнитного полей необходимо выполнить обе группы требований. При экранировании катушек индуктивности следует также учитывать влияние экрана на индуктивность (и добротность). Чем ближе расположен экран к катушке индуктивности, тем больше потери, вносимые экраном, и сильнее снижается добротность и индуктивность.

Потери, вносимые экраном, возрастают с увеличением удельного сопротивления и уменьшением расстояния между экраном и катушкой индуктивности. Поэтому при разработке экранов высокочастотных катушек желательно выбирать материалы с малым сопротивлением (медь, латунь, алюминий). Размеры экрана выбирают таким образом, чтобы зазор между катушкой и экраном был не менее , т. е.

(4.13)

где — длина и диаметр катушки;

— высота и диаметр экрана. Толщину стенок экрана выбирают в соответствии с (4.12).

При размещении высокочастотной катушки индуктивности в экране с размерами в соответствии с (4.13) снижается ее индуктивность на 15—18%, если размеры катушки укладываются в соотношение , то при этом дополнительные потери, вносимые экраном,

где — рабочая частота; ;

— удельное сопротивление меди;

— удельное сопротивление материала экрана.

Получаемая эффективность экранирования обычно меньше рассчитанной по (4.10), (4.11) за счет паразитной связи, возникающей из-за проводов, выходящих из экранируемого пространства, и при наличии отверстий в экранах. Чтобы снижение эффективности было минимальным, отверстия для выводов должны быть расположены таким образом, чтобы не мешали вихревым токам: отверстия и вырезы в экране необходимо делать вытянутыми вдоль направления вихревых токов (рис. 4.31).

Рис. 4.31 - Расположение отверстий в экране

Для полного экранирования проводов от электрических и магнитных полей необходимо добиваться, чтобы весь обратный ток протекал по экрану, т. е. чтобы токи, протекающие по экранируемому проводу и экрану, были равны между собой, а для этого необходимо выводы генератора и нагрузки подключать к проводу и экрану непосредственно без промежуточных проводников, а соединение с корпусом производить в одной точке, лучше со стороны приемника сигнала (рис. 4.32).

Рис. 4.32 – Соединение проводников и корпуса

При подключении общего провода генератора к корпусу, а не к экрану, получается экранирование только от электрических полей (рис. 4.33), при отсутствии соединения экрана с общим проводом никакого экранирующего эффекта не возникает. При соединении экрана с корпусом со стороны генератора или при соединении с корпусом через длинный провод эффективность падает за счет появления напряжения помех на этом проводе (рис. 4.34). Для экранирования проводов от низкочастотных наводок поверхность экрана должна иметь изолирующую оболочку, которая исключает случайные контакты с металлическими элементами корпуса изделия.

Рис. 4.33 – Подключение общего провода к корпусу

Рис. 4.34 – Замыкание экрана на корпус

При замыкании экрана на корпус нарушается магнитное экранирование части провода, расположенного между точкой замыкания экрана на корпус и нагрузкой. В этом случае при отключении соединения экрана около нагрузки уровень наводок снижается, тогда необходимо найти и устранить замыкание экрана на корпус. На высоких частотах из-за поверхностного эффекта обратный ток протекает в основном по внутренней поверхности экрана, поэтому на частотах более 10 МГц замыкание на корпус не снижает эффективности экранирования. Применение экранных проводов увеличивает габаритные размеры, стоимость и паразитную емкость монтажа, поэтому применять экранированные провода и коаксиальные кабели необходимо только в случае, когда другие средства не дали нужного эффекта.

Методы защиты от помех

Электрическое соединение логических и других элементов ЭВМ осуществляется по двум видам связи: сигнальной и цепям питания. По сигнальным связям информация передается в виде импульсов напряжения и токов. Шины питания служат для подведения энергии к элементам от низковольтных источников постоянного напряжения. При использовании одного источника напряжения питание к элементам подводится с помощью двух проводников: прямого и обратного.

Часто на элементы необходимо подавать напряжение от нескольких источников с разными номиналами. В этом случае для уменьшения количества шин питания обратные проводники объединяют в одну шину, которую соединяют с корпусом устройства и называют «земля». В статическом состоянии по цепям питания протекают токи, вызывающие падение напряжения на элементах. Необходимо, чтобы это падение напряжения составляло малую часть от номинала источника напряжения. Если задаться значением максимально допустимой помехи, возникающей при потреблении элементами энергии в статическом состоянии, то можно установить требования к допустимому значению сопротивления шины питания, а отсюда и к геометрии шины. Поясним это на примере цепочки элементов, последовательно подключенных к шине «земля» (рис. 4.35).

Рис. 4.35 – Принципиальная схема

В наихудшем «режиме» по помехозащищенности на шине питания («земля») находится n-й элемент, так как его реальная статическая помехозащищенность уменьшена по сравнению с номинальной на значение падения напряжения на шине «земля» относительно точки ее присоединения к источнику питания . Величину можно оценить, пользуясь эквивалентной схемой (рис. 4.36).

Рис. 4.36 – Схема замещения

Обозначая через сопротивление участка шины питания между двумя расположенными рядом элементами, а через — ток потребления одним элементом, получим:

.

Если — максимально допустимое значение статической помехи, то допустимое значение сопротивления шины питания будет определяться из выражения

.

При работе блоков и устройств ЭВМ, когда происходит выключение одних элементов и включение других, возникает процесс перераспределения токов. Ток потребления по шинам питания изменяется, что приводит к нежелательным падениям напряжения и паразитным наводкам. Для шины питания большого устройства (стойки) изменение тока в ней незначительно, так как для этой шины в любой момент времени число включенных элементов можно считать одинаковым.

Иное происходит в шинах питания, подводящих энергию к более мелким устройствам (регистрам, счетчикам, блокам формирователей). В этом случае переключение элементов (сброс в «0» регистра или запуск блока формирователей) приводит к значительному изменению тока потребления от источника напряжения. Так как шины питания имеют паразитную емкость и индуктивную связь с сигнальными шинами, то при переключении элементов на сигнальных связях наводятся большие помехи. При определенных условиях эти помехи могут вызывать ложное срабатывание схем.

Кроме того, изменение тока в шине питания приводит к возникновению в ней переходного процесса. Переходной процесс в шине питания приводит к колебанию напряжения, приложенного к элементу, что изменяет, с одной стороны, режим его работы, а с другой — параметры выходного сигнала. Задавшись допустимым значением импульсного сигнала помехи на входе элемента из-за помех по цепям питания , можно определить максимально допустимое значение индуктивности шины питания:

,

где — фронт импульсов переключения.

Индивидуальные сглаживающие конденсаторы (ИСК) устанавливают между шинами питания и «земля» непосредственно возле точек присоединения электронной схемы к этим шинам. Будучи заряженными до значения источника напряжения, ИСК являются как бы индивидуальными источниками питания схемы, максимально приближенными к ней физически.

В аппаратуре используются два вида ИСК: устанавливаемые непосредственно у каждой микросхемы и устанавливаемые на группу микросхем в пределах одной ячейки, модуля. Первый тип предназначен для «сглаживания» импульсных помех в момент переключения микросхемы за счет локализации цепи протекания бросков тока в цепи микросхема — ИСК. В качестве ИСК используют обычно обладающие малой собственной индуктивностью керамические конденсаторы (К 10-9). Емкость ИСК — выбирают исходя из условия равенства заряда, накапливаемого конденсатором за время переключения микросхемы, заряду, переносимому выбросом тока за время переключения элемента. При этом изменение напряжения на конденсаторе не должно превышать некоторого наперед заданного значения, равного допустимой помехе по шине питания. Отсюда

, ,

где — максимальное значение переменной составляющей тока потребления;

— выходной ток короткого замыкания микросхемы;

k — коэффициент, значение которого зависит от типа схемы (например, для схем транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) k = 0,33);

— допустимая импульсная помеха на шине питания.

Второй тип ИСК, устанавливаемый на группу микросхем, предназначен для компенсации бросков тока в системе электропитания. Это обычно электролитические конденсаторы большой емкости, обеспечивающие исключение резонансных явлений в цепях питания. Выбор емкости этого типа проводят, используя выражение

где ,. — индуктивность и сопротивление шин питания.