Представляем ряд статей предназначенных только для «аналоговиков», то есть для тех кто проектирует аналоговые схемы, как аудио так и измерительные. Эти статьи не должны читать те, кто используют только цифровые схемы! «Цифрой» заниматься несравненно легче и это информация может серьезно им повредить, лишив душевного спокойствия! Эти статьи следует прочитать всем кто думает, что конструктором можно стать за две недели после того как начал интересоваться электроникой и после прочтения нескольких книг. Эта статья разочаруют их, хороший конструктор должен опираться на крепкий фундамент теоретических знаний и практического опыта, и это не может быть достигнуто за две неделе или да же за два месяца.

Внимание! Несовершеннолетние, могут читать эту статью только под наблюдением взрослых! В этой статье содержится много, шокирующих новостей, которые могут лишить неподготовленных сна, привести к нервному расстройству или даже к суициду.

После завершения транзисторного усилителя мощности оказывается, что схема возбуждается. После добавления нескольких конденсаторов самовозбуждение ослабляется, однако добавленные конденсаторы позорно урезали полосу пропускания сверху. Мало того, на горе радиолюбителю, гул от сети оказался невероятно высок. Добавление конденсаторов в фильтр блока питания, а затем в любые точки схемы ни чего не дает. Подпайка к массе дополнительного толстого провода, так же не улучшает ситуацию. И только при питании от внешнего блока питания схема работает хорошо. После измерения нелинейных искажений, оказывается что их настолько много, что ты смущен, что-то сказать и кроме того странная схема имеет тенденцию к самовозбуждению, но только при больших отрицательных входных сигналах.

Не помогает замена транзисторов на аналогичные лучшей фирмы. Проходят часы, в попытках найти причины с осциллографом, но ни чего не понятно. Ситуация драматическая, даже безнадежная. Ни кто из друзей электронщиков не может помочь….

Схема с позором отправляется в самый дальний угол мастерской, что бы стать источником «запчастей».

То же самое происходит, когда вы пытаетесь создать чувствительные и точные измерительные системы, на основе высоклассного операционного усилителя. Схема позорно возбуждается. К сожалению, известное правило – экранирование, не работает, вы добавляете керамические конденсаторы к каждому чипу. И не смотря на это на экране осциллографа по-прежнему наблюдается самовозбуждение, и становиться еще хуже, чем до экранирования, полученные параметры далеко откланяются от заявленных, помехи еще больше чем до экранирования. Схема видимо работает, но иногда она ведет себя очень странно – время от времени. Абсолютно не правильно, по таинственной причине «сходит с ума» - выходной сигнал изменяется по непостижимому правилу. И что хуже всего, что схема хорошо известна, взята с образца профессионального устройства. Но не работает. Почему? Нечистая сила? Или может быть наказание за плагиат?

Это что так выглядят будни электронщика «аналоговика»?

К сожалению, это часто бывает.

Схемы хорошо работают только на бумаге. «Цифровик» смеется над такими проблемами. Достаточно увеличить емкость фильтра питания – если вы сделали ошибку и почти каждая цифровая система работает не вызывая проблем. Может быть, аналоговая техника работает на других принципах, чем цифровая? Нет ни какой разницы! Просто при проектировании аналоговых схем неопытный конструктор совершает несколько ошибок, которые мстят описанным способом. Большинство описанных проблем происходит с любителями (и не только) в связи с отсутствием знаний о ключевых принципах или из-за лени и халатности пренебрежения основными правилами проектирования.

Тема о помехах, искажениях, шумах окружена густым туманом тайны, и многие электронщики считают, что это область, в которой «обычный смертный» ни чего не знает, а успех зависит только от случайности и от .. таинственных практик, граничащих с магией.

В то же время, уменьшение шума, гула, и другого мусора не является делом для лозоходцев и магов, а только для сознательных конструкторов. К сожалению, молодые электронщики, которые пытаются строить различные схемы, пребывают в блаженном неведении о подводных камнях, которые скрываются от них. И это проблема. Другое дело, что материала в литературе на эту тему очень мало, и в популярной литературе на польском языке я не думаю, что есть что-то достойное.

Намерение написать статью на эту тему я ношу уже в течении многих лет. Согласно первоначальным планам, это должно быть на основе материалов рубрики Блокнот практика в журнале Elektronika Praktyczna. Позже это должно стать одним из писем от Петра в EdW. Но обсудить эту проблему меня поддакнула задача 41 Школы конструкторов, где нужно было сделать устройства для обнаружения скрытого силового кабеля. Оказалось, что многие из участников ведут свои изыскания в полной темноте, не рассуждая о влиянии магнитных и электрических полей.

Я давно написал большую часть этой статьи, но ее завершение неоднократно переносил, и только сейчас завершил. В статье рассматриваются все основные вопросы, связанные с проблемами, с которыми сталкиваются «аналоговики», но конечно не включает в себя все основные детали. В дополнении к теоретическим знаниям необходимо практиковаться, практиковаться и снова практиковаться.

Электромагнитная совместимость (ЭМС)

Тема полей электрических, магнитных и экранирования, кажется очень сложной. Тем более что, книги, описывающие ее, буквально нашпигованы сложными формулами. Действительно, если для анализа проблемы использовать уравнения Максвелла, задача будет очень трудной. И конечно не по зубам для большинства читателей EdW. В схемах, где частоты несколько сотен мегагерц и больше, действительно иногда происходят довольно странные вещи, на более низких частотах, нескольких десятков мегагерц, это уже не так плохо – проблема может быть значительно упрощена, и здесь могу быть простые решения.

На полях очень важно пометить, что информация, которая обсуждается здесь, очень тесно связана с другим очень важным вопросом – так называемой электромагнитной совместимостью. Под фразой: электромагнитная совместимость (EMC – electromagnetic compatibility) понимается не только защита и восприимчивость, но и генерация собственных шумов. Современный профессиональный конструктор должен следовать многим определенным стандартам. На практике самая трудная часть работы вовсе не разработка системы, а тонкости доводки так, что бы она удовлетворяла всем строгим стандартам безопасности и восприимчивости к помехам и генерации собственных шумов, как в виде полей, так и в сети питания. Целью этой статьи не является обсуждение стандартов, а показать вам источники этих проблем.

Две или даже четыре ловушки

Как правило, причинами проблем являются электромагнитное влияние и скрытые вредные параметры элементов. Для четкого различения разделим их на группы:

1 шум передающийся через электрическое поле,

2 шум передающийся через магнитное поле,

3 шум передающийся через электромагнитное поле,

4 вредные, скрытые параметры используемых элементов.

Теперь давайте рассмотрим каждый из них.

1 Паразитная емкость, то есть электрическое поле в практике

Как известно, между любыми двумя металлическими предметами (проводниками) разделенными слоем диэлектрика, есть электрическая емкость. Классика, рисунок 1 из учебника показано устройство плоского конденсатора, состоящего из двух пластин (А и В), каждая с площадью S, расположенных параллельно друг другу на расстоянии d. Емкость определяется: С=εS/d

Эта формула показывает общее соотношение: емкость прямо пропорциональная площади и обратно пропорциональна расстоянию d. В этой формуле есть еще диэлектрическая проницаемость ε, но для наших целей это не важно.

Во многих случаях емкость является причиной передачи помех. Что бы бороться с ними эффективно, нужно хорошо разобраться в проблеме. На рисунке 2а показана простая цепь переменного тока. Что определяет напряжение на сопротивлении R? Если нарисовать эту схему как на рисунке 2б, то станет очевидно, что мы имеем дело с делителем напряжения RC. Напряжение на резисторе будет тем больше, чем больше его сопротивлении. Напряжение на R так же зависит от емкости и частоты – чем выше частота, тем выше напряжение на резисторе. Потому что уменьшается реактивное сопротивление конденсатора. Все ясно. Для получения конкретных значений потребуются слишком сложные расчеты с учетом сдвига фаз тока и напряжения – идеальное решение для таких расчетов использовать комплексные числа. Но для этой статьи такие детали не важны. А теперь посмотрим на странный рисунок 3а. Буква А обозначает силовую линию (проводник) проводящую переменны сигнала от источника, например, от генератора к нагрузке Rl. Буква B обозначает некоторый другой проводник в том же устройстве. В реальной схеме, между проводниками А и В всегда есть небольшая емкость. Если  внимательно посмотреть на рисунок 3а, можно увидеть что здесь точно такая же схема, как показана на рисунках 1 и 2. Схему на рисунке 3а можно представить, как показано на рисунке 3б, а игнорируя не имеющий отношения к обсуждаемому вопросу резистора RL упростить как на рисунке 3с. Это значить что в «постороннем» резисторе Rx будет течь ток источника G только потому, что между элементами, проводниками и цепями всегда есть паразитная емкость. Прежде чем мы перейдем к обсуждению средств борьбы с этим явлением, остановимся на проблеме паразитных емкостей. В таблице 1 приведены ориентировочные значения паразитных емкостей в реальных схемах.

Таблица 1

Важно так же иметь представление о реактивности:

Значение реактивного сопротивления для разных емкостей при различных частотах. Показано в таблице 2.

Таблица 2

Анализ таблицы четко показывает, что даже не большая емкость несколько пикофарад или даже доли пикофарада, может привести к значительному нарушению в цепях с высоким сопротивлением. Кроме того, следует помнить, что не только о частоте, огромное значение имеет форма сигнала. Эти значения справедливы для синусоидального тока определенной частоты. Между тем при других формах сигналов, в частности в случае гармонических, то помимо основной частоты там имеются еще и кратные ей гармоники. На практике больше всего проблем с прямоугольными сигналами. Чем круче фронты импульса, тем больше высокочастотных гармоник от основной частоты. Например в схеме применяются микросхемы CMOS (74HC, 74HCT) напряжение питания 5 V время переключения 10 наносекунд (независимо от частоты переключения), то при емкости монтажа Cab равном всего 0,1 pF, подключенной к резистору Rx сопротивлением  1мОм, На этом сопротивлении будет пилообразное напряжение с амплитудой 5 В и временем 100 наносекунд. Это показано на рисунке 4а. Но здесь можно признать, что на практике такое случается редко, редко используются резисторы сопротивлением 1Мом, потому что тогда начинают влиять другие цепи. Например, как показано на рисунке 4б, наличие входной емкости значительно снижает паразитную связь, упрощённая эквивалентная схема показана на рисунке 4с. Поскольку входная емкость затвора (или другого входа) составляется порядка 10 пФ а емкость связки 0,1 пФ, отношение делителя напряжения определяется Cab/Cwe амплитуда пилы на резисторе уменьшается примерно в сто раз – тогда любой «мусор» с амплитудой 50 mV, не имеет значения, в цифровых схемах, хотя это не всегда можно проигнорировать в чувствительных аналоговых схемах. В цифровых схемах, как правило ситуация становиться еще более привлекательной, потому что очень редко встречаются цепи с импедансом порядка 1Мом. Не смотря на то, что микросхемы CMOS имеют очень большой входное сопротивление порядка Мом, емкостные помехи им не опасны, потому как они подавлены низким выходным сопротивлением около 100 Ом или менее. Это иллюстрируют рисунки 4д, и 4е.

Зная скорость нарастания напряжения в вольтах на наносекунды, вы так же можете рассчитать ток, который может протекать через емкость связи Cab во время пика. Для типичных TTL цифровых схем (74xx, 74LS,74HC, 74HCT) для упрощения скорость можно считать 1V/ns, которая даст ток 1мА на каждый пикофарад емкости связи. При емкости 0,1 пФ приблизительная амплитуда тока будет около 0,1мА. Этот ток протекая через сопротивление вызовет на нем соответствующее падение напряжения.

Хотя случай проникновения помехи через емкости для монтажа не важно в обычных цифровых схемах, но может о себе дать знать в смешанных цифро-аналоговых, где есть цепи с большим сопротивлением. Таким образом, не стоит этим пренебрегать. Следует помнить, что каждая схема, где есть переменные сигналы, являются источником помех для всех остальных цепей. Это неизбежно и нельзя снизить это влияние до нуля. Но можно свести его до приемлемого уровня для данной ситуации. Рассмотрим более подробно, от чего будет, зависит уровень возможных помех? Как показано на рисунке 4а, это зависит от сопротивления резистора Rx и паразитной связи емкости Cab. Во-первых, чем больше сопротивление Rx, тем больше этот эффект. Здесь вы можете увидеть основную причину, почему бы нельзя излишне увеличить сопротивление в цепи, где нужно достичь низкого уровня шума. Во-вторых, чем меньше емкость связи, тем лучше (обычно мы не можем оказать ни какого влияния на частоту, так как это связано назначением схемы). Конечно, вы можете уменьшить вредную емкость связи, убрав «передатчик» подальше от «приемника». На самом деле это хороший способ, но не всегда достаточно эффективный, особенно в миниатюрных устройствах сегодня. Как показано на рисунке 1, емкость обратно пропорциональна расстоянию на печатной плате между проводниками, так например четырехкратного увеличения расстояния в четыре раза уменьшается емкость Cab. Между тем вам часто приходиться подавлять помехи в несколько раз – можно ли изменить ситуацию между цепями, если вставить металлическую пластину, на рисунке 5?

Металлический лист, можно рассматривать как обкладку конденсатора. Вы можете нарисовать эквивалентную схему такой системы – смотрите рисунок 6. Вставленный лист разделяет существующую емкость Cab на две емкости Cac и Ccb. На первый взгляд может показаться, что результирующая емкость уменьшиться, так как при последовательном включении конденсаторов результирующая емкость всегда меньше чем наименьшее из двух. К сожалению здесь мы имеем дело не с классической схемой включения конденсаторов – вставленная пластика на рисунке 6, не может существенно снизить общую емкость и ситуация может значительно ухудшиться, тому что он уже играет роль антенны, «собирая» весь лишний «мусор».

Может быть, вы подумали, что, вставив металлическую пластину на рисунке 6, мы использовали так называемый экран, широко используемый способ борьбы с помехами. Само по себе введение такого «экрана» в целом ухудшает, а не улучшает ситуацию. Что не так? Ответ прост – что бы экранирование было эффективным, экран обязательно должен быть соединен с землей. Если экран (обозначен точкой С) подключен к земле, то теоретический до резистора Rx не должны доходить сигналы от генератора, как показано на рисунке 7. Интересно, что экран для устранения шума передающегося электрическим полем, не обязательно должен быть большим – достаточно тонкой алюминиевой фольги, только бы она была соединена с землей. Однако, это может стать серьезной проблемой, потому фольга не паяется и скрутка не может гарантировать надежный контакт, таким образом со временем все может вернуться к ситуации на рисунке 6. Хороший экран от электростатического поля это латунь или медная фольга – даже кусок фольгированного текстолита, который используются при производстве печатных плат. Можно использовать различные способы экранирования, на пример полностью заэкранировать цепи можно – полностью разместив их в заземленной металлической коробке. Однако, как правило лучше экранировать «пассивные» цепи в которые могут проникнуть помехи. Для получения дополнительной информация об экранировании будет позже в цикле.

Следует особо подчеркнуть, что рисунок 7 показывает ситуацию упрощенно, что на самом деле из-за нескольких причин помехи будут подавлены не полностью. Кроме того, анализ показывает, что экранирование отлично помогает бороться только с помехами, передаваемых через емкость монтажа и электрическое поле и может оказаться совершенно не эффективным, в случае другого способа проникновения помех, о чем будет рассказано в оставшейся части статьи. Мы на данный момент остановимся на паразитных емкостях и помехах передающихся через электрическое поле.

На рисунке 8 показаны две версии регулятора громкости и тембра. Они отличаются значениями элементов, тем не менее, характеристики, по крайней мере теоретически, должны быть одинаковыми, потому как сопротивления и емкости изменяются пропорционально. А что вы скажете о помехозащищенности от помех через паразитные емкости, то есть через электростатическое поле?

Да это так! Схема на рисунке 8б, с большими сопротивлениями, гораздо более чувствительна к помехам (кроме того, параметры не будут совпадать со схемой на рисунке 8а связано это с влиянием паразитных емкостей, в монтаже и входе). Интуиция подсказывает правильно, так где текут малые токи схемы будут чувствительны с помехам, малые токи сопоставимы с наведенными токами. Кроме того это точка зрения предполагает, что нужно работать с большими токами, то есть с меньшими сопротивлениями. На сколько это возможно, и не только из-за устойчивости к помехам, но и к шуму, следует использовать как можно меньшие, но на самом деле «умеренные», рабочие значения сопротивления. Значения порядка 1кОм…10кОм как правило оптимальные, с другой стороны нас ограничивают потери мощности на этих элементах.

Стоит упомянуть проблему перекрестных помех в аудио оборудовании. Если к примеру у нас есть два близко расположенные жилы кабеля, и в одной из них есть переменный звуковой сигнал, содержащий высокие частоты 10…20 кГц. Вторая жила соединена с точкой высокого сопротивления, например с точкой обозначенной Х на рисунке 8б (если например, пассивные компоненты были смонтированы на потенциометре и подключены кабелем к операционному усилителю). Если для это использовать два провода ленточного кабеля длинной 20 см, емкость между проводами может быть до 20 пФ, которая будет близка к емкости С8. Ситуация будет выглядеть, как показано на рисунке 2 – через паразитную емкость между жилами кабеля может легко «пролезть» различные, вредные сигналы.  Стоит принять во внимание, что для частоты 10кГц емкости 20рФ, реактивное сопротивление будет 800кОм, что в сочетании с высоким сопротивлением приведет к значительным перекрестным помехами или изменит частотную характеристику или даже вызовет искажения. Что бы избежать этой проблемы, в этом случае, не стоит использовать ленточный кабель, а отдельные провода, которые не следует располагать близко друг к другу, таким образом, паразитная емкость между ними радикально уменьшиться. Еще лучше уменьшить сопротивление, например, на рисунке 8а, что дополнительно.

В следующем месяце, займемся помехами передаваемые магнитным полем.

Piotr Górecki

E l e k t ronika dla Wszystkich