Классификация помех в устройствах на интегральных схемах

 

              Модуль           Модуль

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Модуль 1 и 2 электрически соединены  короткой линией. Первый модуль содержит формирующий сигнал, представленный в виде источника напряжения и  соединенных последовательно с  R1. Модуль 2 является приемником сигнала, поступающее с модуля 1 и содержит модулированное сопротивление R2. Состоянием данной схемы является 0 и 1. Основными параметрами данной схемы является волновое сопротивление, которое показывает, что электромагнитная волна распространяется вдоль линии. Имеет отношение U/I. Предположим, что намного больше 0

                                                                       

В результате колебательного процесса, изменяющееся напряжение можно несколько раз пересечь порог срабатывания данной интегральной схемы. Следовательно, это приведет к многократному изменению логическому состоянию данной схемы. Если колебания в линиях передач прекратятся за минимально короткий промежуток времени, то это не скажется на работоспособности элемента. Если колебания отсутствуют, то индуктивностью в линии можно пренебречь (Если )

Реакция линии передач на синусоидальный входной сигнал проявляется в  уменьшении амплитуды выходного  напряжения и изменению разностью фаз между входным и выходным напряжением, что приводит к зависимости напряжения на выходе линии от частоты входного сигнала.

Сигналы на входе и на выходе линии  передач сильно отличаются друг от друга. Если линия передач нагружается  на пороговые схемы, то при подаче прямоугольного импульса на вход линии передач с амплитудой напряжения, время срабатывания определяется формулой:

                - постоянная времени

U_пор – берем из справочника

Если длительность импульса будет намного больше τ, то линия передач практически без искажения передает сигнал.

Перекрестные помехи обусловлены  электрическим, магнитным и электромагнитным взаимодействием тех линий передач, которые расположены по соседству. Статическая помехоустойчивость – максимальная амплитуда помех, которая образуется между нижним и верхним пороговым напряжением.

«Рассчет допустимой длины несогласованной линии связи элементов интегральных схем».

 

Задача.

 Рассчитать допустимую длину несогласованной линии связи элементов интегральных схем серии 155. Предложено 2 варианта конструктивного исполнения линии связи: полосковая линия и витая пара. Пример

Параметры витой пары: диаметр проводника с изоляцией D=0,5мм, без изоляции d=0,3мм, диэлектрическая проницаемость изоляции проводов , емкость

Параметры полосковой линии 

Решение.

Для витой пары , т.е. равна среднему значению между проницаемостью воздуха и изоляцией проводов.

По    волновое сопротивление витой пары (Ом)

Подставляя  в и решая квадратное уравнение относительно l, находим допустимую длину экранированной витой пары . Для полосковой линии по и рассчитаем   и . Далее получаем допустимую длину полосковой линии

Ответ.

 

Обеспечение помехозащищенности цифровых устройств

 

При проектирование цифровых устройств  важно обеспечить необходимый уровень  их помехозащищенности. Многие разработчики не всегда знают, как это сделать, и учатся на своих ошибках. Данная статья поможет им сэкономить время и нервы.

Подавление помех по первичной  питающей сети.

Форма сигнала переменного напряжения промышленной питающей сети (220 В , 50 Гц) в течение коротких промежутков  времени может сильно отличаться от синусоэдальной – возможны выбросы или «врезки», снижение амплитуды одной или нескольких полуволн и т.д. Причины возникновения таких искажений связаны обычно с резким изменением сетевой нагрузки, например при включении  мощного электродвигателя, печи, сварочного аппарата. Поэтому следует по возможности осуществлять развявзка от таких источников помех по сети (рис. 1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Помимо указанной меры, возможно, потребуется введение сетевого фильтра  на вводе птьания устройства с  целью подавления кратковременных  помех.  Резонансная частота фильтра может лежать в пределах  0,15 – 300 МГц; широкополосные фильтры обеспечивают подавление помех во всем указанном диапазоне. На рис.2 приведен пример схемы сетевого фильтра. Этот фильтр имеет  габариты 30*30*20 мм и смонтирован непомредственно на колодке ввода сети в устройство. В фильтрах должны использоваться высокочастотные конденсаторы и дроссели либо без сердечников, либо с высокочастотными сердечниками.

В некоторых случаях обязательным является введение электростатического  экрана для прокладки внутри  него проводов первичной питающей сети.

Рассмотрим методы подавления сетевых  помех непосредственно в блоке  питания устройства. Если первичная  и вторичная обмотки силового трансформатора расположены на одной  и той же катушке

(рис. 3, а), то за счет емкостной связи между обмотками

импульсные помехи могут проходить  из первичной цепи во

 вторичную. Рекомендуется четыре  способа подавления таких помех

(в порядке возрастания эффективности).

-первичная и вторичная обмотки  силового трансформатора выполняются на разных катушках (рис. 3, б). Проходная емкость С уменьшается, однако снижается КПД, так как не весь магнитный поток из области первичной обмотки подает в область вторичной обмотки из-за рассеяния через окружающее пространство.

-первичная и вторичная обмотки  выполнены на одной катушке,  но разделяются экраном из  медной фольги толщиной не  представлять собой короткозамкнутый  виток. Он соединяется с корпусной  землей устройства (рис. 3, в).

-первичная обмотка полностью  заключается в экран, не являющийся короткозамкнутым витком. Экран заземляется (рис. 3, г).

первичная и вторичная обмотки  заключаются в индивидуальные экраны, между которыми прокладывается разделительный экран. Весь трансформатор заключается  в металлический корпус (рис. 3, д). Экраны и корпус заземляются. Этот тип трансформатора в силу предельной защищенности от прохождения помех получил название «ультроизолятор».

При всех перечисленных способах подавления помех разводку сетевых проводов внутри устройства следует выполнять  экранированным проводом, соединив экран  с корпусной «землей». Недопустима  укладка в один жгут сетевых и  прочих проводов даже в случаях экранирования тех и других.

Рекомендуется параллельно первичной  обмотке силового трансформатора в  непосредственной близости от выводов  установить конденсатор емкостью примерно с ним – токоограничивающий резистор сопротивлением порядка 100 Ом. Это позволяет  «замыкать» энергию, накопленную в сердечнике силового трансформатора, в момент размыкания сетевого выключателя. Без конденсатора эта энергия растекается через паразитные элементы, что может привести к сбоям соседних устройств, связанный с данным по общей сети или (и) по общей «земле». Кроме того, уменьшается вероятность сбоев соседних устройств при включении нашего устройства.

Отметим, что с увеличением емкости  C фильтра блока питания устройства увеличивается вероятность сбоев соседних устройств, так как потребление энергии от сети устройством все в большей степени приобретает характер ударов. Действительно, напряжение U на выходе выпрямителя растет в те интервалы времени, когда энергия отбирается от сети. С увеличением емкости конденсатора C длительность импульсов его зарядки становится все меньше, а ток, отбираемый в импульсе от сети, - все больше. Таким образом, внешне «безобидное» устройство может создавать в сети помехи, «не уступающие » помехам от сварочного аппарата.

Правила заземления обеспечения, обеспечивающее защиту от помех по «земле».

В устройствах, выполненных в виде конструктивно-законченных блоков, существуют по крайней мере два типа шин «земли» - корпусная и схемная. Корпусная шина согласно требованиям  техники безопасности в обязательном порядке подключается к шине заземления, проложенной в помещении. Схемная шина (относительно которой отсчитываются уровни напряжения сигналов) не должна быть соединена с корпусной внутри блока – для нее должен быть выведен отдельный зажим, изолированный от корпуса.

На рис. 5 показаны варианты неправильного и правильного заземления группы устройств, которые связаны между собой информационными линиями (эти линии не показаны). Схемные шины «земли» объединяются индивидуальными проводами в точке A, а корпусные – в точке B, по возможности приближенной к точке A. Точка A может не подключаться к шине заземления в помещении, например при работе с осциллографом, у которого «земля» пробника соединена с корпусом.

При неправильном заземлении (рис. 5) импульсные напряжения, по порождаемые уравнивающими токами по заземленной шине, будут фактически приложены к входам приемных магистральных элементов, что может вызвать их ложное срабатывания. Следует отметить, что выбор заземления зависит от конкретных «местных» условий и зачастую проводится после серии тщательных экспериментов. Однако общее правило (рис.5) всегда остается в силе.

 

Подавление помех по целям вторичного электропитания.

Моменты прекращения большинства  типов интегральных схем из одного состояния в другое в другое сопровождается резким кратковременным возрастанием тока, потребляемого от источника вторичного электропитания. Энергия отбираемая от источника питания в эти моменты, расходуется на заряд паразитных емкостей и на протекание «сквозного» тока через выходные каскады, построенные по двухтактной схеме (когда «верхний» и «нижний» транзисторы одновременно находятся в активном режиме). Разряд паразитных выходных емкостей сопровождается появлением кратковременных импульсных токов по шинам общего провода.

Из-за конечной индуктивности шин питания и «земли» импульсные токи вызывают появление импульсных напряжений как положительной, так и отрицательной полярности, которые приложены между выводами питания и «земли» выполнены тонкими печатными или иными проводниками, а высокочастотные развязывающие конденсаторы либо вовсе отсутствуют, либо их число недостаточно, то при одновременном переключении нескольких ТТл-микросхем на «дальнем конце печатной платы амплитуда умпульсных помех по питанию (выбросов напряжения, действующих между выводами питания микросхемы) может составить 2 B и более. Поэтому при проектировании печатной платы необходимо выполнять следующие рекомендации.

• Шины питания и «земли» должны обладать минимальной индуктивностью. Для этого они выполняются в виде решетчатых структур, покрывающих всю площадь печатной платы. Недопустимо подключение микросхем ТТЛ к шине, представляющей собой «отросток», поскольку по мере приближения к его концу индуктивность цепей питания накапливается. Шины питания и «земли» должны по возможности покрывать всю свободную площадь печатной платы. С особым вниманием следует подходить к проектированию накопительных матриц динамической памяти. Матрица должна представлять собой квадрат, чтобы адресные и управляющие линии имели минимальную длину. Каждая микросхема должна находиться в индивидуальной ячейке решетчатой структуры, образованной шинами питания и «земли» (две независимые решетки). Шины питания и «земли» накопительной матрицы не должны нагружаться «чужими» токами, текущими от адресных формирователей, усилителей сигналов управления и т.п.
• Подключение внешних шин питания и «земли» к плате через разъем должно проводиться через несколько контактов, равномерно расположенных по длине разъема, для того, чтобы вход в решетчатые структуры шин питания и «земли» производился сразу из нескольких точек.
• Подавление помех по питанию должно осуществляться вблизи мест их возникновения. Поэтому вблизи каждой микросхемы ТТЛ должен быть расположен высокочастотный конденсатор емкостью не менее 0,02 мкФ. Это также в особой степени относится к упомянутым микросхемам динамической памяти. Для фильтрации низкочастотных помех необходимо использовать оксидные конденсаторы, например, емкостью 100 мкФ. При использовании микросхем динамической памяти оксидные конденсаторы устанавливаются, например, по углам накопительной матрицы или в другом месте, но в близи этих микросхем.

В место высокочастотных конденсаторов  нередко применяют специальные  шины электропитания BUS-BAR, CAP-BUS, которые прокладывают под линейками микросхем или между ними, не нарушая обычной автоматизированной технологии установки элементов на плату с последующей пайкой «волной». Эти шины представляют собой распределенные конденсаторы с погонной емкостью примерно 0,02 мкФ/см. при той же суммарной емкости, что и при использовании дискретных конденсаторов, шины обеспечивают значительно лучшее подавление помех при более высокой плотности монтажа.

На рис.6 приведены рекомендации по подключению устройств, выполненных  на печатных платах П1 – П3, к выходу блока питания. Сильноточное устройство, выполненное на плате ПЗ, создает на шинах питания и «земли» больше помех, поэтому его следует физически приблизить к блоку питания, а еще лучше с помощью индивидуальных шин.