Е) наводки от внешних электромагнитных полей

Степень влияния каждого из перечисленных факторов на искажение сигналов зависит от характеристик линий связи, логических элементов и сигналов, а также от конструктивного выполнения всей системы элементов и связей.

Способы снижения помех.

Электрическое объединение логических и других элементов РЭА осуществляют связями двух видов: сигнальными и цепями питания. По сигнальным связям информация передается в виде импульсов напряжения и тока. Шины питания служат для подведения энергии к элементам от низковольтных источников постоянного напряжения.

Помехи в сигнальных проводниках. Связи между элементами РЭА выполняются различными способами: для сравнительно медленных устройств - в виде печатных или навесных проводников; в устройствах с повышенными скоростями работы - в виде печатных полосковых линий, «витых пар» (бифиляров).

При группировке элементов по узлам и блокам между ними образуется большое число электрически «коротких» и электрически «длинных» связей.

Электрически «короткой» называют линию связи, время распространения сигнала в которой много меньше переднего фронта передаваемого по линии импульса. Сигнал, отраженный от несогласованных нагрузок в этой линии связи, достигает источника раньше, чем успеет измениться входной импульс. Свойства такой линии можно описать сосредоточенными сопротивлениями, емкостью и индуктивностью.

Электрически «длинная» линия связи характеризуется временем распространения сигнала, много большим фронта импульса. В этой линии отраженный от конца линии сигнал приходит к ее началу после окончания фронта импульса и искажает его форму. Такие линии следует рассматривать как линии с распределенными параметрами.

В ИС, ячейках и модулях связи, как правило, электрически «короткие» линии. В более крупных конструктивных единицах РЭА в основном электрически «длинные» линии. Доля «длинных» связей с ростом сложности аппаратуры возрастает.

Помехи в «коротких» связях. При анализе процессов передачи сигналов электрически «короткую» линию связи можно представить в виде эквивалентной схемы (рис. 6.2.2), содержащей сосредоточенные индуктивность L и емкость C (омическим сопротивлением пренебрегают), которые "затягивают" фронты сигналов и тем самым создают задержки срабатывания последующих схем.

Рис. 6.2.2.

В зависимости от геометрических размеров сечений линий, их длины, диэлектрических свойств изоляционных материалов, тот или иной параметр линии может преобладать и оказывать большее воздействие на процессы передачи сигнала, чем все остальные. Для уменьшения задержки в линиях с индуктивным характером связи следует увеличивать входное сопротивление элемента Э₂, при емкостном характере – уменьшать выходное сопротивление элемента Э₁.

С уменьшением геометрических размеров элементов и повышением плотности их размещения между сигнальными проводниками возникают емкостная и индуктивная связи, которые также можно представить как связь через взаимную емкость и взаимную индуктивность. При переключении элементов по сигнальным цепям протекают импульсные токи с крутыми фронтами, которые вследствие наличия паразитных связей наводят на соседних сигнальных проводниках помехи. При этом емкостная наводка изменяет потенциал всей линии связи, а индуктивная создает разность потенциалов между входом и выходом линии. Для снижения взаимных наводок необходимо уменьшать выходное сопротивление элементов, амплитуды токов, длину связей и их сечения, расстояние между линиями связи, применять изоляционные материалы с хорошими диэлектрическими свойствами.

Помехи при соединении элементов «длинными» связями. Электрически «длинную» линию связи рассматривают как однородную линию с распределенной емкостью С_о и индуктивностью L_o. Переходные процессы в таких линиях зависят от характера перепада напряжения u_вх на входе линии и соотношения волнового сопротивления линии z₀, выходного сопротивления z_r генератора импульсов и входного сопротивления z_н нагруженного на конец линии элемента (рис. 6.2.3).

Рис. 6.2.3.

Если линия с волновым сопротивлением z₀ нагружена на сопротивление z_н, и z₀= z_н, то такую линию называют согласованной, если z₀¹z_н, линию называют несогласованной. При этом волна напряжения, достигнув конца линии, отражается от него. Отраженная волна, достигнув начала линии, затухает при z_г=z₀. Если z_г¹z₀, волна вновь отражается от начала линии.

Процесс поочередного отражения волны напряжения от обоих концов линии связи идет с затуханием и продолжается до тех пор, пока амплитуда отраженной волны не уменьшится до нуля. Отраженные волны напряжения накладываются на падающие, и в итоге форма входного напряжения может существенно исказиться. Аналогичные явления происходят и с волной тока. Отражения волн напряжения и тока могут быть не только от несогласованных нагрузок на концах линий, но и от различных неоднородностей в ней самой.

Рассмотренные процессы могут вызывать выбросы напряжения. Для уменьшения влияния выброса на параметры нагружен­ных схем в качестве нагрузки используют диоды Шоттки как динамические нелинейные сопротивления. По мере возникновения паразитного выброса один из диодов начинает открываться до тех пор, пока его сопротивление не станет приблизительно равным волновому сопротивлению линии. Другой диод смещен в обратном направлении и предназна­чен для гашения обратного выброса. В результате энер­гия выбросов поглощается, что ведет к повышению устойчи­вости работы схем. Особенно эффективно использование диодов Шоттки для длинных (до 1 м) линий связей, обычно выполняемых бифиляром.

Паразитные наводки в «длинных» линиях связи. Если ли­нии связи между элементами не экранированы, то электро­магнитные поля, возникающие при прохождении по ним импульсных высокочастотных сигналов, не локализованы и в той или иной степени взаимодействуют между собой. При этом на линиях-приемниках возникают паразитные сигналы, форма и амплитуда которых зависят от характеристик линии-приемника и линии-индуктора, величины их связи между собой, параметров передаваемых сигналов и степени рассогласования самих линий.

Известно, что только при полном согласовании обеих линий импульс наводимого напряжения имеет минималь­ные амплитуду и длитель­ность. Рассогласование ли­нии-приемника на одном из ее концов приводит к увеличению амплитуды и длительности наводимой помехи.

Методы разводки «длинных» линий связи. В быстродействующих системах, в которых задержка определяется только задержками в цепях связей, основную проблему может составить способ разводки линий между отдельными ИС. В настоящее время существует три способа разводки: радиальный, с промежуточными отводами, комбинированный.

При радиальном способе разводки каждую ИС-нагрузку подключают к ИС-источнику сигнала индивидуальной связью, при этом ИС-источник сигнала должна иметь выходное сопротивление, равное z₀/n, где n – число нагруженных на нее ИС. При большом n потребуется ИС-источник сигнала с недостижимо малым выходным сопротивлением. Другой недостаток радиального способа - необходимость наличия отдельной линии связи для каждой нагрузки. Поэтому радиальный метод рекомендуют только для небольшого количества нагрузок.

При способе разводки с промежуточными отводами ИС-нагрузки подключают к связи-магистрали и далее к ИС-источнику сигнала через короткие проводники, при этом нагрузочные ИС должны иметь высокие входные сопротивления, иначе они будут перегружать линии связи.

Комбинированный способ обеспечивает согласование в любой точке линии связи путем разводки сигналов на нагрузки, размещенные по разным направлениям. При этом число проводников меньше, чем при радиальном способе, а выходное сопротивление источника сигналов допускается сравнительно высоким. Если на линии связи находятся всего две нагрузки, то ИС-источник сигнала можно поместить в любой точке вдоль нее.

Наводки по цепям питания и методы их уменьшения. 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 изделия и называют шиной «земля». В статическом состоянии по цепям питания протекают стационарные токи.

При работе блоков и устройств РЭА, когда происходит выключение одних элементов и включение других, ток потребления по шинам питания изменяется, что приводит к нежелательным падениям напряжения и паразитным наводкам. В больших системах изменение тока в шине питания вследствие переключения элементов незначительно, так как в любой момент времени число включенных элементов примерно одинаково.

В шинах питания, подводящих энергию к более мелким устройствам, переключение элементов может приводить к значительному изменению тока потребления от источника напряжения. Так как шины питания имеют паразитную емкостную и индуктивную связь с сигнальными шинами, то при переключении элементов на сигнальных связях наводятся сравнительно большие помехи. При определенных условиях эти помехи могут вызвать ложное срабатывание схем. Кроме того, изменение тока в шине питания приводит к возникновению в ней переходного процесса. Переходный процесс приводит к колебанию напряжения, приложенного к элементам, что может изменять режим его работы и параметры выходных сигналов.

Для уменьшения наводок, связанных с падением напряжения на шинах питания и «земля» и переходными процессами в них, используют различные методы.

Применение индивидуальных сглаживающих конденсаторов (ИСК). ИСК устанавливают между шинами питания и «земля» непосредственно возле точек присоединения электронных устройств к этим шинам. ИСК является как бы индивидуальным источником питания схемы, максимально приближенным к ней физически. В микроэлектронной аппаратуре используются два вида ИСК, устанавливаемые непосредственно у каждой микросхемы и устанавливаемые на группу микросхем в пределах одной ячейки, модуля.

Первый тип ИСК предназначен для сглаживания импульсных помех в момент переключения микросхемы за счет локализации цепи протекания бросков тока в цепи микросхема - ИСК. В качестве таких ИСК используют обычно обладающие малой собственной индуктивностью керамические конденсаторы. Емкость ИСК выбирают, исходя из условия равенства заряда, накапливаемого конденсатором за время переключения микросхемы, заряду, переносимому выбросом тока за время переключения элемента.

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.

Уменьшение общих участков протекания токов элементов по шинам питания. Этот метод заключается в установке дополнительных перемычек в шинах питания и «земля», которые уменьшают длину общих участков протекания токов элементов. На рис. 6.2.4 представлены три варианта соединения элементов шиной питания и «земля». В первом варианте (а) переключение элемента, например Э12 (изменение тока потребления схемы), приводит к возникновению паразитной наводки в остальных одиннадцати элементах по шине питания и «земля». Во втором варианте (б) эта помеха в худшем случае воздействует только на четыре элемента, а в третьем варианте (в) помеха еще более уменьшается за счет введения дополнительных перемычек (распараллеливания).

Рис. 6.2.4.

Помехоподавляющие фильтры. Эффективным схемным средством ослабления внешних помех по сетям питания является использование помехоподавляющих фильтров.

Фильтры характеризуются частотой среза и коэффициентом фильтрации, равным отношению сигнала на входе и выходе фильтра. Зная спектр частот полезного сигнала и помехи, и задаваясь определенным ослаблением помехи (в идеале - до нуля), проектируют соответствующие схемы фильтров.

Сетевые фильтры предназначены передавать на выход (в прибор) только частоту сетевого напряжения и подавлять помехи от источника электропитания. Для защиты аппаратуры от перенапряжений в схему сетевого фильтра обычно вводят газораз­рядники, варисторы, стабилитроны, предохранители.

Использование металлического листа в качестве «земли». Этот метод применим для элементов второго уровня конструктивной иерархии РЭА (субблоков, блоков, панелей) и заключается в установке в эти конструктивные элементы сравнительно толстого металлического листа, к которому припаивают обратные провода от всех закрепленных ячеек или модулей.

Использование сплошных металлических прокладок в качестве шин питания. Этот метод применим в случае использования многослойных печатных плат для устройств сверхбыстродействующих РЭА. В таких платах отдельные слои изготовляют с максимально большой площадью металла и применяют их в качестве шин питания, эти слои размещают внутри многослойной платы. При использовании сплошных металлических слоев значительно уменьшаются собственное индуктивное сопротивление шин питания, общие участки протекания токов различных элементов и увеличивается взаимная емкость между шинами питания.

Применение экранов в РЭА. При прохождении мощных сигналов по цепям связи последние становятся источниками электромагнитных полей, которые, пересекая другие цепи связи, могут наводить в них дополнительные помехи. Источниками электромагнитных помех могут быть также мощные промышленные установки, транспортные коммуникации, двигатели и т.д. Устройства, чувствительные к статическим магнитным полям (например, магнитные элементы с разомкнутым магнитопроводом), могут неустойчиво работать даже от таких слабых полей, как магнитное поле Земли.

Экраны включаются в конструкцию для ослабления нежелательно­го возмущающего поля в некотором ограниченном объеме до приемлемого уровня или для локализации, где это возможно, действие источника полей. Возможны два варианта защиты. В первом случае экранируемая аппара­тура размещается внутри экрана, а ис­точник помех вне его, во втором - экранируется источник помех, а защищаемая от помех аппаратура распола­гается вне экрана. Первый вариант обычно используют при защите от внешних по­мех, второй - внутренних.

В РЭА функции экранов чаще всего выполняют кожухи, панели и крышки приборов блоков и стоек, при выборе материалов и расчете толщи­ны которых кроме соображений эффективности экранирования необходимо учитывать требования обеспечения механической прочности, жесткости, надежности соединения отдельных элементов.

Отверстия и щели в экранах уменьшают эффективность экранирова­ния, поэтому их необходимо исключать или сводить к минимуму. Однако полностью от них избавиться невозможно. Отверстия вводятся в кожух для установки соединителей, элементов управления, ин­дикации, обеспечения нормального теплового режима. Эффективность эк­рана не ухудшится, если в его конструкции выполнены отверстия, макси­мальные размеры которых не превышают 1/2 минимальной длины волны экранируемого сигнала. Чтобы помеха не проникала через вентиляционные отверстия, на внутренних поверхностях кожухов с отверстиями может закреплять­ся металлическая сетка.

По принципу действия различают электростатическое, магнитостатическое и электромагнитное экранирования.

Электростатическое экранирование применяется при внутренних помехах с одних функциональных модулей аппаратуры на другие. При введении между модулями заземленного экрана высокой проводимости ис­точник помех окажется подсоединенным на землю через паразитную емкость, желательно как можно большую, а входы и выходы схем - на соответствующие паразитные емкости (обычно много меньшие), что должно учиты­ваться схемотехником при оценке параметров и характеристик схемы. Экранирующий эффект заключается в шунтировании на корпус большей части паразитной емкости, имеющейся между источником и приемником наводок.

В качестве экранов могут служат детали шасси и каркасов, обшивки стоек, панелей, субблоков, кассет, специальные листовые металлические прокладки на монтажной стороне плат, блоков, субблоков, и т. д.

С целью улучшения экранировки особо чувствительных к помехам цепей (например, для передачи синхроимпульсов) на обеих сторонах печатных плат сигнальные и заземленные экранные проводники чередуют таким образом, чтобы против сигнальной линии, проходящей с одной стороны платы, всегда располагалась заземленная линия с другой стороны платы. При этом каждая сигнальная линия оказывается окруженной тремя заземленными линиями, в результате чего достигается не только эффективная экранировка сигнальной линии от внешних помех, но и для полезного сигнала обеспечивается подобная волноводу цепь от источника до нагрузки.

Экранирование применяется также для проводов входной и выходной линий, при этом чаще всего оказывается достаточным экранировать только входную цепь. Для устранения гальванической помехи по земле экраны проводов необходимо заземлять в одной точке. При выполнении линий передачи печатным способом вводятся экранирующие трассы, коммутируемые с шиной нулевого потен­циала и выполняющие функции экранов проводов.

Магнитостатическое экранирование. Задача экранирования сводится к уменьшению или полному устранению индуктивной связи между источником и приемником помехи. Если магнитный поток пересекает контур, образуемый проводником, то в контуре наводится помеха. Для полного устранения или уменьшения напряжения помехи, наво­димой в контуре, необходимо:

- поместить контур в экран;

- ориентировать его так, чтобы магнитные силовые линии поля не пересекали контур, а проходили вдоль него;

- уменьшить площадь контура.

Магнитные экраны выполняют как из ферромагнитных, так и немаг­нитных металлов. Ферромагнитные материалы с большой магнитной проницаемостью обладают малым магнитным сопротивлением, в результате чего линии магнитного поля будут шунтированы материалом экрана, и пространство внутри экрана не будет подвергаться воздействию магнитного поля. Магнитное экранирование тем эффективнее, чем больше магнитная проницаемость экрана и толще экран. При выборе материала экрана необходимо помнить, что магнитная проницаемость с увеличением частоты поля уменьшается, и это сказывается на эффективности экранирования. Ферромагнитные материалы эффективно защищают аппаратуру в диапазоне частот от 0 до 10 кГц.

Действие экрана из немагнитного металла основано на вытеснении внешнего магнитного поля из внутреннего пространства прибора материа­лом экрана. Внешнее переменное магнитное поле создает индукционные вихревые токи в экране, магнитное поле которых направ­лено навстречу внешнему полю внутри экрана. У экранов из немагнитных металлов эффективность экранирования повышается с увели­чением толщины и проводимости материала экрана. Магнитное поле часто­той выше 10 МГц достаточно надежно экранируется, если на диэлектриче­ский кожух наносится медное или серебряное покрытие толщиной не более 100 мкм. Толщина немагнитного экрана может в несколько раз превысить толщину ферромагнитного, обеспечивающего на фиксированной частоте оди­наковое ослабление. Использование ферромагнитного материала позволяет значительно снизить массу экрана. При экранировании магнитного поля за­земление экрана не обязательно, поскольку оно не влияет на качество экра­нирования.

Однако перед тем как конструировать экран, необходимо предусмот­реть все меры, чтобы избавиться от помехи более простым и дешевым спо­собом. Например, уменьшение площади контура, пересекаемого силовыми линиями магнитного поля, получают укладыванием сигнальных проводников непо­средственно по заземленным монтажным панелям модулей.

Электромагнитное экранирование охватывает диапазон частот от 1 кГц до 1 ГГц. Действие электромагнитного экрана основано на отражении элек­тромагнитной энергии на границах диэлектрик-экран и ее затухании в толще экрана. Затухание в экране объясняется тепловыми потерями на вихревые токи в материале экрана, отражение - несоответствием волновых параметров материала экрана и окружаю­щей среды. Для нижней границы частотного диапазо­на первостепенное значение приобретает отражение, для верхней границы - поглощение электромагнитной энергии.

Электромагнитное экранирование выполняется как немагнитными, так и магнитными металлами. Немагнитные металлы высокой проводимости можно эффективно использовать в низкочастотной части спектра, ферромагнитные материалы высокой магнитной проницаемости и электрической проводимости - во всем частотном диапазоне элек­тромагнитного поля. Толщина экрана должна быть по возможности наибольшей. Для частот менее 1 МГц хорошие ре­зультаты дают медные и алюминиевые экраны, а при частотах выше 1 МГц - экраны из стали. Однако наилучшие результаты можно полу­чить при применении многослойных экранов - последовательно чере­дующихся слоев магнитных и немагнитных металлов. Возможны различ­ные варианты материалов слоев: медь – пермаллой - медь, пермаллой - медь, медь – сталь - медь и др. Введение воздушных промежутков между слоями (20-40 % суммарной толщины экрана) улучшит эффективность экранирования. При защите аппаратуры от внешнего поля материал с низкой магнитной проницаемостью помещают наружу, с высокой - внутрь. Если экран защищает источник электромагнитного поля, то мате­риал с низкой магнитной проницаемостью должен быть внутренним сло­ем, а с высокой - наружным.

Немагнитные материалы экранов

Материал	Плотность, кг/м^3	Сопротивление, Ом·мм^2/м	Относительная стоимость
Алюминий		0,028	0,29
Латунь		0,06	0,85
Медь		0,0175	0,6
Магний		0,042	0,36
Серебро		0,018	34,0
Цинк		0,059	0,17

В таблицах приведены свойства немагнитных и магнитных металлов. Из немагнитных материалов с позиций минималь­ной стоимости и массы наилучшими свойствами обладает магний, но он легко коррозирует, а образующийся слой окисла ухудшает контакт экра­на с корпусом изделия. Цинк дешевле меди, имеет меньшую плотность, но мягок. Латунь по своим параметрам занимает среднее положение в ряду материалов, но благодаря отличным антикоррозионным свойствам и стабильности сопротивления электрического контакта ее можно реко­мендовать для широкого применения в качестве материала экрана.

Ферромагнитные материалы экранов

Материал	Плотность, кг/м^3	Удельное сопротивление, Ом·мм^2/м	Магнитная проницаемость, m·1,26·10^-6, Гн/м	Индукция, Тл	Напряженность, А/м
Никель Железо Сталь ЭЗ10 Пермаллой 45Н 79НМ		0,1 0,098 0,5   0,55 0,50		0,85 1,70 1,75   1,50 0,75

В РЭА получили распростране­ние экраны из стали и пермаллоев. Стальные экраны с малой начальной магнитной проницаемостью обеспечивают малое, но постоянное экраниро­вание как на низких, так и на частотах вплоть до десяти килогерц. Экраны из пермаллоев с высокой начальной проницаемостью позволяют получить эффективное экранирование, но в узком диапазоне частот от нуля до не­скольких сотен герц. С увеличением частоты возрастают вихревые токи эк­рана, которые вытесняют магнитное поле из толщи экрана и уменьшают его магнитопроводимость, а это сказывается на эффективности экранирования.

Широкое распространение в технике РЭА нашли также экранированные провода, коаксиальные кабели и «витые» пары проводников (бифиляры).

Дата добавления: 2014-01-07