Панков Л.Н., Асланянц В.Р., Долгов Г.Ф., Евграфов В.В. Основы проектирования электронных средств

Подождите немного. Документ загружается.

150

экрана на корпус С

. В таком случае на экране будет наведенное напряже-

ние U

. Чтобы убрать напряжение с экрана заземлим экран, т.е. соединим

его на корпус. Заземление провода на одном конце обеспечивает электро-

статическое экранирование, но не обеспечивает экранирования магнитного

поля, т.к. не создаёт замкнутого контура для наведённых токов в экране.

Чтобы обеспечить экранирование магнитного поля надо провод заземлить

и на другом

конце. Заземление экранирующей оплётки необходимо вы-

полнить с минимальными значениями сопротивления, обычно самой оп-

лёткой.

Высокое качество экранирования провода будет в том случае, если

прямой ток провода равен обратному току от нагрузки, протекающему по

оплетке. Это возможно в том случае, если экранирующая оплетка исполь-

зуется как второй провод для обратного тока

. Такое возможно для случая

использования экранированных проводов или коаксиальных кабелей для

соединения между проводами, устройствами или блоками. В этом случае

экранирующая оплетка является единственным соединителем корпусов

этих ЭС.

Если же экранированный провод контактирует внутри ЭС с металличе-

скими несущими конструкциями, то обратный ток от нагрузки проходит

по оплетке и по

металлическим несущим. В этом случае для повышения

качества экранирования увеличивают толщину оплетки, что приближает

значение обратного тока в оплетке к прямому току.

Экранирование провода имеет недостатки и ограничивает применение

в конструкциях ЭС:

1. Увеличивается емкость провода относительно корпуса, что может

быть недопустимо для некоторых проводов по схеме электрической прин-

ципиальной.

2. Экранированный

провод требует изоляции или крепления в конст-

рукции, чтобы не было заземлений на элементы конструкций, находящих-

ся под напряжением.

3. Если длина экранированного провода соизмерима с длиной волны

электромагнитных сигналов, то необходимо согласование волнового со-

противления линии с сопротивлением нагрузки.

Через печатные проводники или навесные проводники монтажа имеют

место помехи с

провода на провод. Такие помехи называют перекрёстны-

ми помехами. Принцип возникновения перекрестных помех показан на

рис. 10.17.

151

Провод А – источник по-

мехи имеет напряжение U

и пом

Провод В – приёмник помехи

не имеет прямой электриче-

ской связи с проводом А. Од-

нако между проводами суще-

ствует ёмкостная и взаимоин-

дуктивная паразитная связь, а,

следовательно, на проводе В

будет помеха U

пом

Паразитные параметры

монтажа в зависимости от

частоты сигнала от формы

импульсного сигнала оказы-

вают следующие отрицатель-

ные влияния:

−

Паразитные параметры L

пар

и С

пар

проводов определяют реактивные

сопротивления X

, X

линий связи, а, следовательно, линии связи вносят

задержку сигнала по времени. Время распространения сигнала по линии:

= τ

ол

⋅l, где l – длина линии, τ

ол

– удельная задержка распространения

сигнала в линии.

погол

С⋅=

пог

где L

пог

, С

пог

– погонные индуктивности и ёмкости линии длинной в 1м.

Чтобы увеличить быстродействие устройства необходимо уменьшать

длину проводов линий связи L и уменьшать их паразитные индуктивности

и ёмкости.

И индуктивные и ёмкостные сопротивления электромонтажа зависят от

частоты, а, следовательно, имеют различные сопротивления для различных

частотных составляющих спектра сигнала. В таком случае, различные час-

тотные составляющие сигнала, пройдя через линию, имеют на выходе дру-

гие соотношения амплитуд, по сравнению с входными. Следовательно, на

выходе линии сигнал получается искажённым.

При передаче релаксационных сигналов особенно сильно искажается

фронт сигналов, т.к. длительность фронта τ

мала по времени, а значит,

имеет широкий спектр частотных составляющих.

Поэтому при проектировании линий с допустимыми искажениями сиг-

нала необходимо сравнивать длительность фронта сигнала со временем его

задержки и выполнять условие

фпогл

0,1lLt

≤⋅⋅=

пог

С .

Рис. 10.17. Паразитные параметры и свя-

зи проводов

и пом

пом

152

Следовательно, неискажающая сигнал линия называется короткой ли-

нией и имеет малую длину и малые паразитные параметры монтажа.

Коэффициенты передачи с провода на провод могут быть емкостного,

индуктивного и взаимноиндуктивного типа. За счет этих коэффициентов с

провода на провод передается сигнал, а значит, появляется напряжение

помехи на проводе В, которое может вызвать

ложное срабатывание циф-

ровых устройств или же неустойчивость работы аналоговых устройств.

Для того чтобы судить об устойчивости работы цифровых или анало-

говых устройств необходимо рассчитывать напряжение помехи U

пом

. Для

различных видов связи обобщенная эквивалентная схема паразитной связи

имеет вид, представленный на рис. 10.18.

В общем случае:

Нпар

пом ипом

= ,

Нпар

= ,

где

пар

Z – комплексные

сопротивления паразитной

связи и нагрузки приемника.

Коэффициент передачи

помехи с провода на провод

будет тем меньше, чем боль-

ше паразитное сопротивление Z

пар

между проводами.

Рассмотрим частный случай, когда Z

пар

имеет ёмкостной характер (рис.

10.19). В таком случае

пар

⋅

Рис. 10.18. Обобщенная эквивалентная

схема паразитной связи

Рис. 10.19. Схема емкостной пара-

зитной связи

Рис. 10.20. Схема индуктивной

паразитной связи

и пом

пом

и пом

пом

пар

и пом

пом

пар

153

В том случае, когда нагрузка ёмкостная (конденсатор C

), то коэффи-

циент передачи с провода на провод:

Впар

пар

Впар

СС

⋅

ωω

Чтобы уменьшить ёмкостную связь с провода на провод необходимо

уменьшить паразитную ёмкость этих проводов.

В случае наличия индуктивности проводов имеем взаимоиндуктивную

паразитную связь (рис. 10.20).

При наличии тока

в приводе генератора помех на высоких частотах

имеем наведённые напряжения в проводе приёмника В.

пом

М ⋅= , (10.1)

где М – коэффициент взаимоиндукции между проводами,

– скорость изменения тока в приводе генератора.

Индуцированное напряжение помехи на провода генератора

1пом и

⋅= ,

пом и

= ; поставим

в (10.1)

пом и

пом

U ⋅= .

Следовательно, коэффициент передачи

К с провода на провод при

взаимоиндуктивной связи прямопропорционален коэффициенту взаимоин-

дукции М и обратно пропорционален индуктивности L

провода источника

помех:

К .

Между элементами A и B имеют место также кондуктивные паразит-

ные связи за счёт наличия общих проводов между А и В, например прово-

дов питания (рис. 10.21).

154

пар

– паразитное сопротив-

ление проводов питания.

парпар

LjZ ⋅⋅+

пар

R .

Элементы А и В имеют об-

щий источник питания напря-

жением Е, а значит у них общие

провода питания.

Через паразитное сопротив-

ление проводов протекает сум-

марный ток

, который соз-

даёт падение напряжения на

этом сопротивлении

пар21

Z)i(iU

⋅

∆

Напряжение питания на элементе А

пар

ZiiEUE

⋅

−

∆

−

= )(U

211

Можно видеть, что напряжение питания одного элемента зависит от

токов питания других элементов. Уменьшить влияние одного элемента на

другой можно уменьшая Z

пар

, т.е. паразитное сопротивление цепей пита-

ния.

Следовательно, уменьшить кондуктивную связь можно; 1) увеличивая

сечение проводов питания и уменьшая их длину, 2) уменьшая высокочас-

тотные составляющие тока питания через источник питания, для чего в це-

пи питания микросхем ставят фильтрующие конденсаторы.

10.6. Основы расчёта паразитных параметров печатного монтажа

Паразитная ёмкость между печатными проводниками зависит от шири-

ны печатных проводников и зазора между проводниками (рис. 10.22).

lСС

погпар

⋅

где

– длина взаимного пере-

крытия проводников, между кото-

рыми рассчитывается ёмкость,

см,

пог

– погонная ёмкость между

проводниками, пф/см :

′

⋅

пог

КС

где

′

- приведённая диэлектриче-

ская проницаемость диэлектрика в

зазоре между проводниками.

Рис. 10.21. Схема кондуктивной пара-

зитной связи

Рис. 10.22. Печатные проводники

пар

А В

∆U

155

′

где ε

– диэлектрическая проницаемость воздуха,

ε - диэлектрическая проницаемость материала платы.

Если для влагозашиты плата покрыта лаком, то

′

где

– диэлектрическая проницаемость лака.

– коэффициент пропорциональности зависит от зазора между про-

водниками и ширины проводников, выбирается по графикам.

Зависимость коэффициента пропорциональности

от параметра пе-

чатной платы

представлена на рис. 10.23.

Чтобы уменьшить коэффициент передачи с провода на провод реко-

мендуется:

1) Уменьшать длину

смежных параллельно проходящих печатных

проводников.

2) Увеличивать зазор

S между смежными параллельными проводника-

ми.

3) Такие проводники должны исполняться узкими, т.е. малой ширины

Паразитные ёмкостные связи особенно опасны в аналоговых устройст-

вах для сигнальных цепей. Например, в усилителях особенно опасна пара-

зитная ёмкость вход-выход усилителя (рис. 10.24).

пар

– паразитная ёмкость между входным и выходным усилителями.

Если ёмкость С

пар

больше допустимых значений, то усилитель может

самовозбудиться и работать в режиме автогенератора.

156

, S

– расстояние между печатными проводниками;

, W

– ширина печатных проводников

Рис. 10.23. Зависимость коэффициента пропорциональности К

от па-

раметра печатной платы

Усилитель самовозбудится,

если в нём будет выполняться

условие баланса амплитуд и

баланса фаз в замкнутом коль-

це автогенератора

1≥

⋅

КК ,

где К

ОС

– коэффициент обрат-

ной связи, т.е. коэффициент

передачи с выхода на вход

усилителя.

– к-т усиления усилите-

ля.

вх

– входное сопротивление усилителя.

пар

ОС

К ⋅⋅≈

⋅

вх

Рис. 10.24. Паразитная ёмкость вход-

выход усилителя

пар

выход

вход

вх

смпФК

п1

≤w

⁄

≤w

⁄

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

0,1

2 0

81 2 3 4 5

157

Значением R

вх

в знаменателе пренебрегаем, т.к. оно много меньше ем-

костного сопротивления паразитной связи.

Следовательно, усилитель возбудится и будет работать в режиме авто-

генерации при условии:

вх

≥

⋅

парУ

СК

Чтобы усилитель не возбуждался, должно выполняться обратное нера-

венство, а, следовательно, допустимое значение ёмкости должно быть:

⋅⋅

вх

пар

С .

Можно видеть, что усилитель легче самовозбуждается при больших

коэффициентах усиления и на ВЧ. Чтобы усилитель не возбуждался необ-

ходимо пространственно разнести вход и выход, исполнить эти цепи про-

водниками не широкими, не параллельно.

При проектировании многокаскадных усилителей необходимо компо-

новать их в линию (линейка усиления) пространственно разнося выходы с

сильным сигналом от входов.

Для цифровых микросхем в технических условиях указывают допусти-

мые паразитные ёмкости по конкретным выводам сигнальных цепей.

Для случая взаимоиндуктивной связи, коэффициент взаимоиндукции М

(мГн) между печатными проводниками рассчитывается по формуле:

()

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

+⋅+

⋅= 1

5.0S

ln2

211

lМ

где l

– длина параллельно проходящих печатных проводников.

Если вторая плоскость печатной платы полностью фольгированная и

используется как экранирующая, то коэффициент взаимоиндукции между

печатными проводниками увеличивается и рассчитывается по формуле:

()

(

)

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+⋅+

⋅=

211

5.0S

lnl2

где S

– расстояние между плоскостями верхнего монтажа и фольги, т.е.

толщина платы.

Чтобы уменьшить коэффициент передачи при взаимоиндуктивной свя-

зи проводников рекомендуется:

Уменьшать длину l

параллельного прохождения сигнальных цепей

печатного монтажа.

Увеличивать зазор S

между параллельно проходящими сигнальны-

ми цепями.

Рекомендуется также цепи исполнять не параллельно, например, в

разных плоскостях перпендикулярно.

Индуктивность печатных проводников определяется по формуле:

2пог

LL l⋅=

158

где L

пог

– погонная индуктивность мкГн/см (индуктивность единицы дли-

ны проводника) зависит от сечения проводника, т.е. от ширины и толщины

проводника.

Величина погонной индуктивности печатного проводника определяет-

ся по графику. Зависимость погонной индуктивности печатного проводни-

ка L

пог

. от его ширины W при толщине проводника 0,05 мм показана на

рис. 10.25.

Рис. 10.25. Зависимость погонной индуктивности печатного проводни-

ка от его ширины

Можно видеть, что чем шире проводник, тем меньше его индуктив-

ность. Поэтому для сигнальных цепей чтобы уменьшить коэффициент

взаимоиндуктивной связи рекомендуется выполнять проводники узкими.

Для уменьшения кондуктивной паразитной связи по цепям питания,

необходимо выполнять цепи питания – потенциальный и корпусной про-

вод

большой ширины

погпарпар

LjRZ

⋅

Поэтому цепи питания и цепи корпуса рекомендуют выполнять шири-

ной печатного проводника 3-5 мм и более.

Увеличивать сечение потенциального провода питания и провода кор-

пуса, не мешая трассировке сигнальных цепей, можно за счёт следующего:

0,2 0,3

0,5 2

6 1 4

0,007

0,009

0,011

0,013

0,015

0,017

W,мм

пог

., мкГн ⁄ см

159

1. Исполнять несколько параллельных цепей корпуса и питание на пла-

те, увеличивая этим самым результирующую ширину и сокращая длину

этих цепей на каждую микросхему.

Вместо печатных проводников использовать навесные шины пита-

ния.

Шины питания и шины корпуса можно и лучше располагать парал-

лельно и рядом, т.к. большая ёмкость между ними будет работать как

фильтрующая конструктивно выполненная емкость.

Фильтрация напряжений наводки в проводах. Особенности проек-

тирования фильтров.

Помеха от источника к приёмнику может пройти через общие для них

провода (через сигнальные цепи от одного устройства к другому), или же

через общие цепи питания. Для ослабления помехи через общие цепи до

допустимых значений в эти цепи ставят фильтры.

На рис. 10.26. представлена эквивалентная схема включения фильтра в

цепь передачи сигнала

от генератора к нагрузке.

Рис. 10.26. Эквивалентная схема включения фильтра

ω, U – рабочая частота и рабочее напряжение генератора.

, U

– частота и напряжение фильтруемой помехи.

Напряжение помехи U

на выходе фильтра зависит от величины и со-

держания сопротивлении Z

фильтра.

Напряжение помехи для одного звена фильтра будет равно:

фп1

UU ⋅≈

⋅= ,

т.к. сопротивление Z

<< Z

на фильтруемой частоте.

Аналогично для многозвенного фильтра:

⋅

⋅⋅= .

∼

, U

ω, U