O neřesti a čarodějnictví nebo hluku v elektronických obvodech. Šumy – Základy elektroniky – Katalog článků – neoficiální stránka časopisu Elektronika dla wszystkich

Představujeme sérii článků určených pouze pro „analogy“, tedy pro ty, kteří navrhují analogové obvody, jak zvukové, tak měřicí. Tyto články by neměli číst ti, kteří používají pouze digitální obvody! S „digitálem“ je nesrovnatelně snazší jednat a tyto informace jim mohou vážně ublížit a připravit je o klid! Tyto články by si měl přečíst každý, kdo si myslí, že se můžete stát designérem za dva týdny poté, co se začnete zajímat o elektroniku a po přečtení několika knih. Tento článek je zklame, dobrý konstruktér se musí opřít o solidní základy teoretických znalostí a praktických zkušeností a toho nelze dosáhnout za dva týdny nebo dokonce dva měsíce.

Pozor! Nezletilí mohou číst tento článek pouze pod dohledem dospělé osoby! Tento článek obsahuje spoustu šokujících zpráv, které mohou nepřipravené připravit o spánek, vést k nervovému zhroucení nebo dokonce k sebevraždě.

Po dokončení tranzistorového výkonového zesilovače se ukáže, že obvod je vybuzen. Po přidání pár kondenzátorů je vlastní kmitání oslabeno, ale přidané kondenzátory ostudně ořezávají horní šířku pásma. Navíc se ke zděšení radioamatéra ukázalo, že hukot ze sítě je neuvěřitelně vysoký. Přidání kondenzátorů do filtru napájecího zdroje a poté do libovolných bodů v obvodu nic nedává. Připájení dalšího silného drátu k zemi také situaci nezlepšuje. A pouze při napájení z externího zdroje funguje obvod dobře. Po změření nelineárních zkreslení se ukáže, že je jich tolik, že se stydíte cokoliv říkat a navíc ten podivný obvod má tendenci k samobuzení, ale pouze s velkými negativními vstupními signály.

Výměna tranzistorů za podobné od lepší firmy nepomáhá. Hodiny ubíhají a snaží se najít příčiny pomocí osciloskopu, ale nic není jasné. Situace je dramatická, až bezvýchodná. Nikdo z mých přátel elektroniky nemůže pomoci.

Schéma je hanebně posláno do nejvzdálenějšího rohu dílny, aby se stalo zdrojem „náhradních dílů“.

Totéž se stane, když se pokusíte vytvořit citlivé a přesné měřicí systémy založené na špičkovém operačním zesilovači. Schéma je hanebně vzbuzeno. Bohužel nefunguje známé pravidlo – stínění, do každého čipu přidáte keramické kondenzátory. A navzdory tomu je na obrazovce osciloskopu stále pozorováno samobuzení a stává se ještě horším než před stíněním, získané parametry se daleko odchylují od deklarovaných, rušení je ještě větší než před stíněním. Zdá se, že schéma funguje, ale někdy se chová velmi zvláštně – čas od času. Naprosto špatně, z nějakého záhadného důvodu se „zblázní“ – výstupní signál se mění podle nepochopitelného pravidla. A co je nejhorší ze všeho je, že obvod je dobře známý, převzatý ze vzorku profesionálního zařízení. Ale to nejde. Proč? Zlý duch? Nebo možná existuje trest za plagiátorství?

Takhle vypadá každodenní život analogového elektronického inženýra?

Bohužel se to stává často.

Schémata fungují dobře pouze na papíře. „Tsifrovik“ se takovým problémům směje. Stačí zvýšit kapacitu výkonového filtru – pokud jste udělali chybu, a téměř každý digitální systém funguje bez problémů. Možná analogová technologie funguje na jiných principech než digitální technologie? Nezáleží na tom! Prostě při navrhování analogových obvodů udělá nezkušený konstruktér několik chyb, které se mstí popsaným způsobem. Většina popsaných problémů se stává amatérům (nejen) kvůli neznalosti klíčových principů nebo kvůli lenosti a nedbalosti nerespektování základních konstrukčních pravidel.

Téma rušení, zkreslení, šumu je obklopeno hustou mlhou tajemna a mnozí elektronikové se domnívají, že jde o oblast, ve které „obyčejný smrtelník“ nic neví a úspěch závisí jen na náhodě a na . tajemných praktikách hraničících s magií.

Snížení hluku, hučení a dalších odpadků přitom není záležitostí proutkařů a kouzelníků, ale pouze uvědomělých designérů. Bohužel mladí elektrotechnici, kteří se snaží stavět různé obvody, si blaženě neuvědomují úskalí, která jsou před nimi skryta. A to je problém. Další věc je, že v literatuře je na toto téma velmi málo materiálu a nemyslím si, že v populární literatuře v polštině je něco hodného.

Již mnoho let jsem měl v úmyslu napsat článek na toto téma. Ten měl podle původních plánů vycházet z materiálů rubriky Praktický zápisník časopisu Elektroni ka Praktyczna. To se později stalo jedním z Peterových dopisů EdW. K diskusi o tomto problému mě ale přiměl úkol 41 Školy konstruktérů, kde bylo potřeba vyrobit zařízení pro detekci skrytých silových kabelů. Ukázalo se, že mnoho účastníků provádělo svůj výzkum v naprosté tmě, aniž by uvažovali o vlivu magnetických a elektrických polí.

Většinu tohoto článku jsem napsal už dávno, ale jeho dokončení jsem opakovaně odkládal a až nyní jsem ho dokončil. Článek pokrývá všechny hlavní problémy související s problémy, kterým čelí „analogy“, ale samozřejmě nezahrnuje všechny hlavní podrobnosti. Kromě teoretických znalostí je potřeba cvičit, cvičit a zase cvičit.

Elektromagnetická kompatibilita (EMC)

Téma elektrických, magnetických a stínících polí se zdá být velmi složité. Knihy, které to popisují, jsou navíc doslova napěchované složitými vzorci. Skutečně, pokud se k analýze problému použijí Maxwellovy rovnice, bude tento úkol velmi obtížný. A to je samozřejmě mimo možnosti většiny čtenářů EdW. V obvodech, kde jsou frekvence několik set megahertzů a vyšší, se občas dějí docela divné věci, ale na nižších frekvencích, několik desítek megahertzů, to není tak hrozné – problém lze výrazně zjednodušit a mohou existovat jednoduchá řešení.

Na okraj je velmi důležité poznamenat, že zde diskutované informace velmi úzce souvisí s další velmi důležitou otázkou – tzv. elektromagnetickou kompatibilitou. Fráze: elektromagnetická kompatibilita (EMC) se týká nejen ochrany a citlivosti, ale také generování vlastního šumu. Moderní profesionální designér musí dodržovat mnoho specifických standardů. V praxi není nejtěžší na práci systém vůbec navrhnout, ale doladit jej tak, aby splňoval všechny přísné normy bezpečnosti a náchylnosti k rušení a generování vlastního šumu, a to jak v podobě polí, tak v napájecí síti. Účelem tohoto článku není diskutovat o standardech, ale ukázat vám zdroje těchto problémů.

Dvě nebo dokonce čtyři pasti

Příčinou problémů jsou zpravidla elektromagnetické vlivy a skryté škodlivé parametry prvků. Pro jasné rozlišení je rozdělme do skupin:

1 šum přenášený elektrickým polem,

2 šum přenášený magnetickým polem,

3 šum přenášený elektromagnetickým polem,

4 škodlivé, skryté parametry použitých prvků.

Nyní se podívejme na každou z nich.

1 Parazitní kapacita, tedy elektrické pole v praxi

Jak je známo, mezi libovolnými dvěma kovovými předměty (vodiči) oddělenými dielektrickou vrstvou existuje elektrická kapacita. Klasika, Obrázek 1 z učebnice ukazuje strukturu plochého kondenzátoru, sestávajícího ze dvou desek (A a B), každé o ploše S, umístěných vzájemně rovnoběžně ve vzdálenosti d. Kapacita je určena: C=ε S/d

Tento vzorec ukazuje obecný vztah: kapacita je přímo úměrná ploše a nepřímo úměrná vzdálenosti d. Tento vzorec také zahrnuje permitivitu ε, ale pro naše účely to není důležité.

V mnoha případech je příčinou přenosu rušení kapacita. Abyste s nimi mohli účinně bojovat, musíte problému dobře porozumět. Obrázek 2a ukazuje jednoduchý AC obvod. Co určuje napětí na odporu R? Pokud nakreslíme tento obvod jako na obrázku 2b, je zřejmé, že máme co do činění s RC děličem napětí. Napětí na rezistoru bude tím větší, čím větší bude jeho odpor.. Napětí na R závisí také na kapacitě a frekvenci – čím vyšší frekvence, tím vyšší napětí na rezistoru. Protože reaktance kondenzátoru klesá. Vše je jasné. Pro získání konkrétních hodnot by byly nutné příliš složité výpočty zohledňující fázový posun proudu a napětí – ideálním řešením pro takové výpočty je použití komplexních čísel. Ale pro tento článek nejsou takové detaily důležité. Nyní se podívejme na podivný obrázek 3a. Písmeno A označuje elektrické vedení (vodič) přenášející proměnné signály ze zdroje, například z generátoru do zátěže Rl. Písmeno B označuje nějaký jiný vodič ve stejném zařízení. Ve skutečném obvodu je mezi vodiči A a B vždy malá kapacita. Podíváte-li se pozorně na obrázek 3a, můžete vidět, že je to přesně stejný obvod jako na obrázcích 1 a 2. Obvod na obrázku 3a lze znázornit tak, jak je znázorněno na obrázku 3b, a ignorovat irelevantní odpor RL, zjednodušeně jako na obrázku 3c. To znamená, že zdrojový proud G poteče v „cizím“ odporu Rx jen proto, že mezi prvky, vodiči a obvody je vždy parazitní kapacita. Než přejdeme k diskusi o prostředcích boje proti tomuto jevu, zastavme se u problému parazitních kapacit. Tabulka 1 ukazuje přibližné hodnoty parazitních kapacit v reálných obvodech.

Síť – hmotnost obvodu, který je napájen sítí

Stíněný kabel: stínění – jádro

Jádro kabelu – jádro

Je také důležité mít představu o reaktivitě:

Hodnota reaktance pro různé kapacity při různých frekvencích. Zobrazeno v tabulce 2.

Analýza tabulky jasně ukazuje, že i malá kapacita několika pikofaradů nebo dokonce zlomků pikofaradů může způsobit značné rušení ve vysokoodporových obvodech. Kromě toho je třeba mít na paměti, že nejen frekvence, ale také tvar signálu je velmi důležitý. Tyto hodnoty platí pro sinusový proud o určité frekvenci. Mezitím u jiných forem signálů, zejména v případě harmonických, existují kromě základní frekvence také harmonické, které jsou jejími násobky. V praxi je nejvíce problémů s obdélníkovými signály. Čím strmější jsou čela pulzu, tím více vysokofrekvenčních harmonických od základní frekvence. Například obvod používá mikrocisty CMOS (74 HC, 74 HCT) s napájecím napětím 5 V a dobou přepínání 10 nanosekundy (bez ohledu na přepínací frekvenci), pak s montážní kapacitou rovnající se 0,1 V odol s ampliturou s napětím na 1 V, s ampliturou s ampliturou s ampliturou s napětí s napětí a časem a napětí na 5 V Econds. To je znázorněno na obrázku 100a. Zde ale můžeme připustit, že v praxi se to stává zřídka, rezistory s odporem 4 Mohm se používají zřídka, protože pak začínají ovlivňovat jiné obvody. Například, jak je znázorněno na obrázku 1b, přítomnost vstupní kapacity výrazně snižuje parazitní vazbu, zjednodušený ekvivalentní obvod je znázorněn na obrázku 4c. Vzhledem k tomu, že vstupní kapacita hradla (nebo jiného vstupu) je asi 4 pF a kapacita svazku je 10 pF, poměr děliče napětí je určen Cab / Cwe a amplituda pilového zubu přes rezistor je snížena asi stokrát – pak jakýkoli „zmetek“ s amplitudou 0,1 mV nemůže být vždy ignorován v analogovém obvodu, v digitálním obvodu je irelevantní. V digitálních obvodech se situace obvykle stává ještě atraktivnější, protože obvody s impedancí kolem 50 Mohm jsou velmi vzácné. Navzdory tomu, že čipy CMOS mají velmi vysoký vstupní odpor v řádu MΩ, není pro ně kapacitní rušení nebezpečné, protože je potlačeno nízkým výstupním odporem cca 1 ohmů a méně. To je znázorněno na obrázcích 100d a 4e.

Když znáte rychlost nárůstu napětí ve voltech za nanosekundu, můžete také vypočítat proud, který může protékat spojovací kapacitní kabinou během špičky. Pro typické digitální obvody TTL (74xx, 74LS, 74HC, 74HCT) lze pro jednoduchost rychlost považovat za 1 V/ns, což dá proud 1 mA na každý pikofarad vazební kapacity. Při kapacitě 0,1 pF bude přibližná amplituda proudu asi 0,1 mA. Tento proud protékající odporem způsobí na něm odpovídající pokles napětí.

I když případ průniku rušení přes montážní kondenzátory není u běžných digitálních obvodů důležitý, může o sobě dát vědět ve smíšených digitálně-analogových obvodech, kde jsou obvody s vysokým odporem. Proto by se to nemělo zanedbávat. Je třeba mít na paměti, že každý obvod, který obsahuje střídavé signály, je zdrojem rušení pro všechny ostatní obvody. To je nevyhnutelné a není možné tento vliv snížit na nulu. Dá se ale snížit na přijatelnou úroveň pro danou situaci. Podívejme se blíže na to, na čem závisí míra možné interference? Jak je znázorněno na obrázku 4a, závisí to na odporu rezistoru Rx a parazitní vazbě kapacitního kabelu Cab . Za prvé, čím větší je odpor Rx, tím větší je tento účinek. Zde vidíte hlavní důvod, proč v obvodu, kde chcete dosáhnout nízké hlučnosti, zbytečně nezvyšovat odpor. Za druhé, čím menší je vazební kapacita, tím lépe (obvykle nemůžeme mít žádný vliv na frekvenci, protože to souvisí s účelem obvodu). Samozřejmě můžete snížit škodlivou vazebnou kapacitu posunutím „vysílače“ dále od „přijímače“. To je vlastně dobrý způsob, ale ne vždy dostatečně účinný, zvláště v dnešních miniaturních zařízeních. Jak je znázorněno na obrázku 1, kapacita je nepřímo úměrná vzdálenosti na desce s plošnými spoji mezi vodiči, takže například čtyřnásobné zvýšení vzdálenosti má za následek čtyřnásobné snížení kapacity Cab . Mezitím musíte často několikrát potlačit rušení – je možné změnit situaci mezi obvody vložením kovové desky na obrázku 5?

Plech lze považovat za výstelku kondenzátoru. Ekvivalentní obvod takového systému si můžete nakreslit – viz obrázek 6. Vložený list rozděluje stávající kapacitu Cab na dvě kapacity Cac a Ccb . Na první pohled se může zdát, že se výsledná kapacita sníží, protože při sériovém zapojení kondenzátorů je výsledná kapacita vždy menší než menší z obou. Bohužel zde nemáme co do činění s klasickým schématem zapojení kondenzátoru – vložený plast na obrázku 6 nemůže výrazně snížit celkovou kapacitu a situace se může výrazně zhoršit, protože již plní roli antény, „sbírající“ všechny přebytečné „smetí“.

Možná si myslíte, že vložením kovového plátu na obrázku 6 jsme použili to, čemu se říká štít, což je široce používaná metoda boje proti rušení. Zavedení takové „obrazovky“ samo o sobě obecně situaci spíše zhoršuje než zlepšuje. co se děje? Odpověď je jednoduchá – aby bylo stínění účinné, musí být stínění spojeno se zemí. Pokud je stínění (označené bodem C) spojeno se zemí, pak by teoreticky neměly docházet k rezistoru Rx žádné signály z generátoru, jak ukazuje obrázek 7. Zajímavé je, že stínění pro eliminaci šumu přenášeného elektrickým polem nemusí být nutně velké – stačí tenká hliníková fólie, pokud je připojena k zemi. To se ale může stát vážným problémem, protože fólie není připájená a zkroucení nemůže zaručit spolehlivý kontakt, takže se časem může vše vrátit do stavu na obrázku 6. Dobrým stínítkem před elektrostatickým polem je mosazná nebo měděná fólie – dokonce i kus fólií potaženého textolitu, který se používá při výrobě desek plošných spojů. Lze použít různé způsoby stínění, například obvody lze zcela odstínit jejich úplným umístěním do uzemněné kovové krabice. Zpravidla je však lepší odstínit „pasivní“ obvody, do kterých může pronikat rušení. Další informace o stínění budou k dispozici později v sérii.

Je třeba zvláště zdůraznit, že obrázek 7 ukazuje situaci zjednodušeně a že ve skutečnosti z několika důvodů nebude rušení zcela potlačeno. Analýza navíc ukazuje, že stínění je účinné pouze v boji proti rušení přenášenému přes kapacitu instalace a elektrické pole a může být zcela neúčinné v případě jiných způsobů pronikání rušení, o kterých bude řeč ve zbytku článku. Prozatím se zaměříme na parazitní kapacity a rušení přenášené elektrickým polem.

Obrázek 8 ukazuje dvě verze ovládání hlasitosti a tónu. Liší se v hodnotách prvků, ale vlastnosti, alespoň teoreticky, by měly být stejné, protože odpory a kapacity se úměrně mění. Co můžete říci o odolnosti proti šumu od rušení prostřednictvím parazitních kapacit, tedy prostřednictvím elektrostatického pole?

Ano, je! Obvod na obrázku 8b s vysokými odpory je mnohem citlivější na rušení (navíc parametry nebudou odpovídat obvodu na obrázku 8a, je to způsobeno vlivem parazitních kapacit v instalaci a vstupu). Intuice vám říká správně, takže tam, kde tečou malé proudy, budou obvody citlivé na rušení, malé proudy jsou srovnatelné s indukovanými proudy. Tento úhel pohledu navíc předpokládá, že je nutné pracovat s vyššími proudy, tedy s nižšími odpory. Pokud je to možné, a to nejen z důvodu odolnosti vůči rušení, ale také vůči šumu, by měly být použity co nejnižší, ale ve skutečnosti „umírněné“ hodnoty pracovního odporu. Optimální jsou obvykle hodnoty řádově 1 kOhm. 10 kOhm, na druhou stranu jsme limitováni ztrátami výkonu na těchto prvcích.

Za zmínku stojí problém přeslechů v audio zařízení. Máme-li například dvě blízko umístěná jádra kabelu a jedno z nich obsahuje střídavý zvukový signál obsahující vysoké frekvence 10. 20 kHz. Druhý vodič je připojen k bodu s vysokým odporem, například k bodu označenému X na obrázku 8b (pokud by byly například pasivní součástky nasazeny na potenciometr a připojeny kabelem k operačnímu zesilovači). Pokud se k tomu použijí dva dráty plochého kabelu o délce 20 cm, kapacita mezi dráty může být až 20 pF, což se bude blížit kapacitě C8. Situace bude vypadat jako na obrázku 2 – různé škodlivé signály mohou snadno „proklouznout“ parazitní kapacitou mezi žilami kabelu. Stojí za to vzít v úvahu, že pro frekvenci 10 kHz o kapacitě 20 pF bude reaktance 800 kOhm, což v kombinaci s vysokým odporem povede k výraznému přeslechu nebo ke změně frekvenční charakteristiky nebo dokonce ke zkreslení. Abyste se tomuto problému vyhnuli, neměli byste v tomto případě používat plochý kabel, ale samostatné vodiče, které by neměly být umístěny blízko sebe, aby se radikálně snížila parazitní kapacita mezi nimi. Ještě lepší je snížit odpor např. na obrázku 8a, který je navíc.

Příští měsíc se podíváme na interferenci magnetického pole.

Piotr Gorecký

Elektronická přednáška pro Wszystkich