Содержание.
-Введение
-Шумы усилителей
происхождение и виды шумов
-Помехи:экранирование и заземление
1.Помехи
2.Сигнальное заземление
3.Межприборное заземление
-Методы сужения полосы пропускания
-Классификация помех в устройствах ЭВМ
1.Линии связи
2.Виды помех
-Помехи в цепях питания и меры по их уменьшению
1.Проявление помех в цепях питания
2.Статические помехи
3.Импульсные помехи
-Обеспечение помехозащищенности аппаратурных средств вычислительной техники
уменьшение помех в аппаратуре,собранной на интегральных
микросхемах
-Заключение
-Литература.
Введение.
Почти в любой области измерений значение предельно различимого слабого сигнала определяется шумом-мешающим сигналом,который забивает полезный сигнал.Даже если измеряемая величина и не мала,шум снижает точность измерения.Некоторые виды шума неустранимы принципиально
(например,флуктуации измеряемой величины),и с ними надо бороться только методами усреднения сигнала и сужения полосы.Другие виды шума(например,помехи на радиочастоте и “петли заземления”)можно уменьшить или исключить с помощью разных приемов,включая фильтрацию,а также тщательное продумывание расположения проводов и элементов схем.И, наконец,существует шум,возникающий в процессе усиления,и его можно уменьшить применением малошумящих усилителей.
Мы начнем с разговора об источниках происхождения и характеристиках различных видов шумов,от которых страдают электронные схемы.После краткого рассмотрения шумов дифференциального усилителя и усилителя с обратной связью перейдем к вопросам надлежащего заземления и экранирования, а также исключению помех и наводок.Для примеров выбран усилитель,т.к.он один из основных элементов,часто входящих в различные устройства.
Кроме того,в данной работе приведена классификация помех в устройствах ЭВМ,а в качестве конкретных примеров рассмотрены помехи в цепях питания и меры по их уменьшению,а также рекомендации по обеспечению помехозащищенности аппаратурных средств вычислительной техники.
Шумы усилителей.
1.Происхождение и виды шумов.
Термин “шум” применяется ко всему,что маскирует полезный сигнал,поэтому шумом может оказаться какой-нибудь другой сигнал(“помеха”);но чаще всего этот термин означает “случайный” шум физической(чаще всего тепловой)природы.Шум характеризуется своим частотным спектром,распределением амплитуды и источником(происхождением).Рассмотрим основные виды шумов.
“Джонсоновский шум”.Любой резистор на плате генерирует на своих выводах некоторое напряжение шума,известное как “шум Джонсона”(тепловой шум).У него горизонтальный частотный спектр,т.е. одинаковая мощность шума на всех частотах(до некоторого предела).Шум с горизонтальным спектром называют “белым шумом”.Реальное напряжение шума в незамкнутой цепи, порожленное сопротивлением R,находящимся при температуре T, выражается формулой
где k-постоянная Больцмана,
T-абсолютная температура в Кельвинах,
B-полоса частот в герцах.
Таким образом Uш.эфф. это то,что получится на входе совершенно бесшумного фильтра с полосой пропускания B,если подать на его вход напряжение,порожденное резистором при температуре T
При комнатной температуре(293 К)
(ГцЧОм),
В/Гц
=1,27Ч
В/Гц
мкв/Гц
.
Шум Джонсона устанавливает нижнюю границу напряжения шумов любого детектора,источника сигнала или усилителя,имеющего резистивные элементы.Активная составляющая полного сопротивления источника порождает шум Джонсона;так же действуют резисторы цепей смещения и нагрузки усилителя.
Дробовой шум.Электрический ток представляет собой движение дискретных зарядов,а не плавно непрерывное течение. Конечность(квантованность)заряда приводит к статическим флуктуациям тока.Если заряды действуют независимо друг от друга,то флуктуирующий ток определяется формулой:
Iш.эфф.=Iш.R=Ц2qIпостB,где
q-заряд электрона(
Кл),
Iпост-постоянная составляющая(“установившееся“ значение тока),а B-ширина полосы частот измерения.
Приведенная формула выведена в предположении,что создающие ток носители заряда действуют независимо друг от друга.
Это справедливо,когда заряды преодолевают некоторый барьер,как,например,в случае тока через диодный переход,где заряды перемещаются за счет диффузии,однако это не так,когда мы имеем дело с металлическими проводниками,где между носителями заряда существует тесная корреляция.Таким образом,ток в простой резистивной схеме имеет намного меньшую шумовую составляющую,чем это показывает формула для дробового шума.
Шум 1/f (фликкер-шум).Дробовой и тепловой шумы-неуменьшаемые виды шума,возникающие в соответствии с законами физики. Самый дорогой и тщательно изготовленный резистор имеет тот же тепловой шум,что и дешевый углеродный резистор с тем же сопротивлением.Реальные устройства,кроме того,имеют различные источники “избыточных шумов”.Реальные резисторы подвержены флуктуациям сопротивления,которые порождают дополнительное напряжение шума,пропорциональное протекающему через резистор постоянному току.Этот шум зависит от многих факторов,связанных с конструкцией конкретного резистора, включая резистивный материал и особенно концевые соединения.
Этот шум имеет спектр,примерно описываемый зависимостью 1/f(постоянная мощность на декаду частоты) и иногда называется “розовым шумом”.
Помехи:экранирование и заземление.
1.Помехи.Как уже говорилось,одной из форм шумов являются мешающие сигналы или паразитные наводки.Шум в виде сигналов, приходящих по связям с источником питания и путям заземления,на практике может иметь более важное значение,чем рассматриваемый ранее внутренний шум.Например,наводка от сети 50Гц имеет спектр в виде пика(или ряда пиков)и относительно постоянную амплитуду,а шум зажигания автомобиля,шум грозовых разрядов и другие шумы импульсных источников имеют широкий спектр и всплески амплитуды.Другим источником помех являются радио- и телепередающие станции,окружающее электрооборудование и т.п.Иногда от многих из этих источников шума можно отделаться путем тщательного экранирования и фильтрации.
Сигнал помехи может попасть в электронный прибор по входам линий питания или по линиям ввода и вывода сигнала.Помехи могут попасть в схему и через емкостную связь с проводами(электростатическая связь-наиболее серьезный эффект для точек схемы с большим полным сопротивлением)или через магнитную связь с замкнутыми контурами внутри схемы(независимо от уровня полного сопротивления),или электромагнитную связь с проводами,работающими как небольшие антенны