Развязка сигналов при трассировке печатной плате

Подробности

Автор: EngineerDeveloper®

          Как уже говорилось, помеха в схеме может наводиться через цепи питания. Для уменьшения наводимых помех питания применяются блокировочные конденсаторы.

         Перед трассировкой аналого-цифровой ПП необходимо обратить внимание на электрические характеристики логических элементов.

         Типовой выходной каскад представляет собой два транзистора соединенных последовательно относительно источника питания и земли см. рис. 14.

  

            Транзисторы работают в противофазе, то есть когда один «открыт», другой «заперт». В установившемся режиме работы схема потребляет не большие токи. Но ток потребления резко растет в переходные моменты работы схемы. В эти моменты в течение короткого промежутка времени оба транзистора «открыты». Потребляемая мощность скачкообразно возрастает, а затем уменьшается, что приводит резкому изменению тока в цепи. Импульс, полученный в результате переходного процесса, оказывает заметное негативное влияние на остальные сигнальные цепи устройства. Но та как таких выходных логических каскадов на плате может быть сотни и даже тысячи, то суммарный импульс может быть достаточно велик.

         Паразитные наводимые помехи имеют собственный диапазон излучения, но этот диапазон строго не фиксирован и его сложно предугадать. Так как любая цифровая схема включает себя множество выходных цифровых логических каскадов, которые работают как в фазе так и в противофазе, а так же сдвинуты друг относительно друга на произвольный угол фазы. Широколосный цифровой шум может оказывать различное влияние на работу схемы. Многое зависит от спектральной плотности и диапазона цифрового шума.

         В Таблице 2 приводятся основные типы блокировочных конденсаторов с указанием граничной рабочей частотой.

 

Таблица 2

 

        Из таблицы видно, что танталовый тип конденсаторов эффективно использовать на частотах ниже 1 МГц. На более высоких частотах применяют керамические конденсаторы. Так же стоит помнить о том, что любой конденсатор имеет так же собственную резонансную частоту. То есть неверный выбор конденсатора может не только не помочь работе схемы, но и ухудшить её параметры. На рисунке 15 приведены характеристики двух конденсаторов: танталового электролитического типа номиналом 10 мкФ и керамического 10 нф.

 

 

          На практике характеристики конденсаторов отличаются в зависимости от производителя. Так же могут отличаться характеристики конденсаторов в одной партии. Но этот разброс можно легко учесть ознакомившись с технической документацией к любому типу конденсаторов. Но самое главное то, что для эффективной работы конденсатора, подавляемые им частоты должны находиться в более низком диапазоне, чем частота собственного резонанса. В противном случае характер реактивного сопротивления будет индуктивным, а конденсатор перестанет эффективно работать.

 

Развязка питания ИС

         В цепи питания любой интегральной схемы мы найдем развязывающий конденсатор по цепи питания. Это необходимо для подавления высокочастотного шума в этих цепях. Развязывающие или блокировочные конденсаторы включаются между цепями питания. При установке таких конденсаторов важно минимизировать длину печатных проводников до выводов питания на микросхеме.  В противном случае собственная индуктивность печатных проводников компенсирует всю полученную выгоду при установке блокировочного конденсатора.

         Развязывающие конденсаторы должны быть обязательно установлены рядом с корпусом ОУ, не зависимо от того сколько встроенных ОУ задействованы в разрабатываемом устройстве. При двухполюсном питании микросхемы развязывающие ёмкости должны быть установлены к каждому выводу питания. Сами номиналы должны быть тщательно подобраны.

В некоторых случаях возможно установка индуктивности или дросселя последовательно с цепью питания. Индуктивность располагается до конденсаторов.

         Так же есть более дешевая альтернатива – использование резистора (10…100 Ом) в место резистора. В этом случае, резистор вместе с развязываемом конденсатором образуют НЧ-фильтр. В этом случае сужается диапазон питания микросхемы, которая становится более зависимая от потребляемой мощности.

         На практике зачастую для подавления низкочастотных  помех устанавливают алюминиевые или танталовые конденсаторы в непосредственной близости с входным разъёмом питания. Дополнительно установленные керамические конденсаторы будут подавлять высокочастотные помехи от других плат.

 

         РАЗВЯЗКА ВХОДНЫХ И ВЫХОДНЫХ СИГНАЛОВ

         Достаточно большой уровень шума может наводиться в устройстве в результате неграмотной компоновки электронных узлов на плате. Но даже в том случае, когда все электронные узлы на плате располагались с учётом возможного их взаимодействия, велика вероятность наводимых межкаскадных шумов.

         В том случае, когда наведенные шумы находятся в другом частотном диапазоне по отношению к рабочей частоте устройства решение простое – установка на плату пассивного RC-фильтра для подавления высокочастотных помех. Но применяя пассивные фильтра нужно помнить, что АЧХ фильтра утрачивают свои свойства на частотах в 100…1000 раз превышающих частоту среза. Это происходит из-за не идеальности частотных характеристик пассивных компонентов фильтра.

         В случае, когда уровень наводимых помех из вне слишком велик и вышеописанные методы бессильны, необходимо экранировать наиболее чувствительные к помехам участки устройства. Для эффективной работы экрана необходимо тщательно подойти к его разработке. То есть следует помнить, что экран не должен иметь отверстия больше чем 1/20 длины волны экранируемого излучения. Но для установки экрана необходимо предусматривать его габариты в самом начале проектирования всего устройства – это облегчит разработку в дальнейшем.