7.5. Помехи, экраны и земля

Как помеха проникает в прибор — через ёмкость, магнитное поле, радиоволны и общие провода; земля внутри прибора и между приборами, дифференциальный и псевдодифференциальный приём, изолирующие усилители, охрана высокоомного входа.

≈ 32 мин чтения · пунктирное подчёркивание — наведите или нажмите, чтобы увидеть пояснение

До сих пор мы воевали с шумом, который рождается внутри деталей. На практике же чаще мешают посторонние сигналы: наводки от сети, импульсы, пролезающие через общие цепи питания и земли, радиопередатчики за окном. Хорошая новость в том, что, в отличие от теплового шума, эти помехи принципиально устранимы — правильной компоновкой, разводкой и конструкцией.

В лёгких случаях хватает аккуратной разводки, в трудных — фильтров на входах и выходах, продуманной системы заземления, а иногда и дорогих электростатических и магнитных экранов. Эту область часто считают «чёрной магией», но почти всё в ней сводится к нескольким физическим механизмам. Разберём их по очереди.

7.5.1Пути проникновения помех

≈ 9 мин3 упр.

Главное

Помеха приходит по питанию, по сигнальным линиям, через ёмкость (бьёт по высокоомным узлам), через магнитное поле (бьёт по контурам), через излучение (провода-антенны) и через общие провода.
Против ёмкостной связи: экран, разнесение, плата земли, низкоомный узел.
Магнитная наводка $= 2 π f B A$ : уменьшайте площадь контуров, свивайте провода; на 50 Гц металлический экран почти бесполезен.
ВЧ: короткие провода без петель, ферритовые бусины; пара «тантал + керамика» — готовый паразитный контур.

123456

Шесть дорог, по которым помеха попадает в прибор.

Что здесь что (6)

Линии питания. сетевые помехи; против них — сетевые ВЧ-фильтры и подавители выбросов (≈ 60 дБ до сотен кГц).
Сигнальные входы и выходы. фильтры (ФНЧ в звуковой аппаратуре), экранированные провода.
Ёмкостная связь. через паразитную ёмкость; опасна высокоомным узлам; лечится экраном.
Магнитная связь. переменное поле наводит в контуре ЭДС $2 π f B A$ — независимо от сопротивлений.
Электромагнитная. провода работают как маленькие антенны.
Общие провода земли и питания. ток одной части схемы создаёт падение, которое «видит» другая.

Представьте прибор как дом, а помеху — как сквозняк: прежде чем затыкать щели, полезно знать, где они. Таких «щелей» немного:

провода питания;
входные и выходные сигнальные линии;
ёмкостная (электростатическая) связь с соседними проводами — она особенно опасна для высокоомных узлов;
магнитная связь с замкнутыми контурами схемы — ей безразличен уровень сопротивлений;
электромагнитная связь — провода работают как маленькие приёмные антенны.

Любой из этих путей может связать и две части одной и той же схемы. А ещё есть общие провода земли и питания: ток одного узла создаёт на них падение напряжения, которое ощущает другой узел.

Ни один приём борьбы с помехами не уничтожает их полностью — лишь ослабляет, иногда очень сильно. Поэтому полезно помнить и о самом простом средстве: поднять уровень полезного сигнала там, где это возможно. И ещё: обстановка на месте установки бывает совсем не лабораторной. Прибор, безупречный на столе разработчика, может вести себя отвратительно у заказчика. Соседи, которых стоит опасаться:

радио- и телепередатчики (ВЧ-наводки);
метро и электротранспорт (импульсные помехи, «грязь» в сети);
высоковольтные линии (радиопомехи, шипение коронного разряда);
лифты и электродвигатели (выбросы в сети);
диммеры освещения и регуляторы отопления (выбросы в сети);
оборудование с мощными трансформаторами (магнитные наводки);
и чемпион по всем видам наводок — электросварка.

Через входы, выходы и питание

Со стороны сети лучше всего работает связка из сетевого ВЧ-фильтра и подавителя выбросов: вместе они дают ослабление около 60 дБ на частотах до нескольких сотен килогерц и защищают от разрушительных импульсов.

С сигнальными линиями сложнее: фильтру мешают уровни сопротивлений, а полезный сигнал может лежать в той же полосе, что и помеха. В звуковой аппаратуре выручают ФНЧ на входе и выходе: удивительно много помех от ближних радиостанций проникает через провода громкоговорителей, которые работают как антенны. В остальных случаях нужен экранированный провод: линии малых сигналов, особенно высокоомные, экранируют всегда; то же касается корпуса прибора.

Ёмкостная связь

Внутри прибора сигнал легко перепрыгивает через паразитную ёмкость. Где-то по дорожке проходит перепад на 5 В — и на соседнем высокоомном узле появляется его уменьшенная копия, поделённая ёмкостным делителем. Что помогает:

уменьшить ёмкость между «нарушителем» и «жертвой» — просто разнести их;
поставить между ними экран: сплошной металлический кожух или даже оплётка убирают этот вид связи полностью;
прижать проводники к сплошному слою земли на плате — он «впитывает» краевые поля и резко ослабляет связь;
если можно, понизить сопротивление узла-жертвы.

Заметьте: входы ОУ, в отличие от его выходов, ловят помеху легко. Впрочем, и выходы не неуязвимы — пример в конце раздела.

1234

Ёмкостная наводка: быстрый перепад делится ёмкостями C_св и C_з, затем узел разряжается через R с τ = R(C_св + C_з).

Что здесь что (4)

Ёмкость связи. паразитная ёмкость между проводниками: доли — единицы пФ.
Сопротивление узла. чем оно меньше, тем ниже и короче выброс.
Ёмкость узла на землю. вместе с $C_{св}$ — ёмкостный делитель для быстрых перепадов.
Провод-нарушитель. быстрые перепады; отодвиньте подальше или отгородите экраном.

Упражнение 7.5.1

(а) Вход электрометрического усилителя (22 МОм на землю) связан с проводом сети 230 В, 50 Гц паразитной ёмкостью 0,5 пФ. Какое напряжение помехи будет на входе? (б) Рядом с узлом датчика (470 кОм и 22 пФ на землю) проходит дорожка ШИМ-сигнала с перепадами 5 В; ёмкость связи 1,5 пФ. Какой высоты будет выброс на узле и с какой постоянной времени он спадёт?

U_50Гц =Вскачок =Вτ =мкс

Решение

(а) $X_{C} = 1/ (2 π \cdot 50 \cdot 5 \cdot 1 0^{- 13}) = 6, 37$ ГОм — много больше 22 МОм, так что ток задаёт ёмкость: $U = 230 \cdot R / R^{2} + X_{C}^{2} \approx 230 \cdot 2, 2 \cdot 1 0^{7} /6, 37 \cdot 1 0^{9} \approx 0, 79$ В. Для милливольтового сигнала это катастрофа. (б) Быстрый перепад делится ёмкостями: $5 \cdot 1, 5/ (1, 5 + 22) \approx 0, 32$ В; затем узел разряжается через 470 кОм с $τ = R (C_{св} + C_{з}) = 4, 7 \cdot 1 0^{5} \cdot 23, 5 \cdot 1 0^{- 12} \approx 11$ мкс. Понизить сопротивление узла или добавить ему ёмкость на землю — значит уменьшить выброс.

Магнитная связь

Здесь интуиция часто подводит: кажется, что металлический корпус защищает от всего. Но низкочастотное магнитное поле немагнитный металл почти не ослабляет. Проигрыватель, магнитофон, микрофонный усилитель или любая чувствительная схема рядом с крупным силовым трансформатором получат сильную сетевую наводку. В контуре площадью $A$ поле с индукцией $B$ и частотой $f$ наводит ЭДС

Магнитная наводка в контуре

E = 2 π f B A

Обозначения:

E

f

B

A

Отсюда главное правило: площадь каждого замкнутого контура схемы — как можно меньше, провода не должны образовывать петель. Прямой и обратный провода ведут рядом, а лучше свивают в витую пару: каждый виток охватывает маленькую площадь, и ЭДС соседних витков имеют противоположные знаки, взаимно уничтожаясь.

Петля с большой площадью собирает магнитный поток (⊙ — поле направлено на нас); у витой пары каждый виток мал, а ЭДС соседних витков противоположны.

Если сигнал совсем мал или сам узел чувствителен к полю (магнитные головки, катушки, проволочные резисторы), применяют магнитные экраны — готовые кожухи и листы из пермаллоя («мю-металла»). В сильном поле лучше двойной экран: внутренний — из материала с высокой проницаемостью, наружный — с невысокой (например, обычная сталь), чтобы внутренний не уходил в насыщение.

Совет. Нередко проще всего убрать источник поля: отнести силовой трансформатор подальше или повернуть его. Тороидальные трансформаторы рассеивают гораздо меньше поля, чем обычные на Ш-образном сердечнике.

Ёмкостная и магнитная наводка: сравнение

	Ёмкостная связь	Магнитная связь
Опасна для	высокоомных узлов	контуров любого сопротивления
Растёт с	ёмкостью связи и $d U / d t$	площадью контура, частотой, индукцией
Металлический экран	устраняет полностью	на НЧ почти не помогает
Главное средство	экран, плата земли, разнесение	малая площадь, витая пара, пермаллой, убрать источник

Модель: ёмкостная и магнитная наводка

Упражнение 7.5.2

Микрофонный кабель на сцене брошен петлёй: прямой и обратный провода разошлись на 3 см на длине 50 см, а рядом стоит усилитель с силовым трансформатором, создающим поле 2 мкТл эфф. на 50 Гц, перпендикулярное плоскости петли. Найдите наведённую ЭДС. Во сколько раз она уменьшится, если взять витую пару, у которой нескомпенсированная площадь — порядка одного витка, 0,2 см²?

ЭДС =мкВраз =

Решение

$A = 3 \cdot 50 = 150$ см² $= 1, 5 \cdot 1 0^{- 2}$ м²; $E = 2 π f B A = 314 \cdot 2 \cdot 1 0^{- 6} \cdot 1, 5 \cdot 1 0^{- 2} \approx 9, 4$ мкВ — для динамического микрофона, дающего сотни микровольт, это слышимый фон. У витой пары ЭДС соседних витков взаимно вычитаются, остаётся порядка одного витка: площадь меньше в $150/0, 2 = 750$ раз, ЭДС — около 13 нВ.

Радиочастотные помехи

ВЧ-наводки коварны тем, что безобидный кусок монтажа может оказаться резонансным контуром с огромным пиком на какой-то частоте. Кроме общего экранирования, провода делают как можно короче и избегают петель, где возможен резонанс; на очень высоких частотах выручают ферритовые бусины.

Ловушка. Классический паразитный контур — часто рекомендуемая пара шунтирующих конденсаторов «танталовый + керамический»: индуктивность выводов и дорожек вместе с ёмкостью образуют отличный настроенный контур где-то между единицами и сотнями мегагерц, а рядом с усилением он ещё и возбуждается.

Упражнение 7.5.3

На плате усилителя мощности по шине питания стоят параллельно танталовый конденсатор и керамический 0,1 мкФ; индуктивность выводов и дорожек замкнутого между ними контура — около 10 нГн. На какой частоте возможен паразитный резонанс (танталовый конденсатор на этой частоте считайте короткозамкнутым)?

f =МГц

Решение

Контур образован керамикой 0,1 мкФ, замкнутой через танталовый конденсатор и индуктивность 10 нГн: $f = 1/ (2 π L C) = 1/ (2 π 1 0^{- 8} \cdot 1 0^{- 7}) \approx 5, 0$ МГц. Потери в обоих конденсаторах малы, добротность высокая — отсюда звон и возможное самовозбуждение. Лечат ферритовой бусиной или резистором в несколько ом последовательно с одним из конденсаторов.

7.5.2Земля внутри прибора

≈ 5 мин2 упр.

Главное

Ток по проводу земли создаёт на нём напряжение, которое «видит» любая другая часть схемы на том же проводе.
Заземление звездой: все земли сходятся в одну точку, и по земле входного каскада ток не течёт.
Питание каскадов — отдельными проводами от стабилизатора; чувствительный каскад — через RC-фильтр.
Лечение — раздельные пути возврата токов, а не более толстая дорожка.

Провода земли и заземлённые экраны — источник бесконечных неприятностей и недоразумений. Суть укладывается в одну фразу: по проводу земли течёт ток, о котором мы забыли, он создаёт на этом проводе напряжение, и это напряжение принимает за сигнал другая часть схемы, подключённая к тому же проводу. Слово «земля» гипнотизирует: кажется, что это точка нулевого потенциала везде, где её нарисовали. На деле это кусок меди с вполне конечным сопротивлением и индуктивностью.

Самое прямолинейное решение — заземление звездой: все провода земли сходятся в одну точку. Работает почти всегда, но, поняв суть, обычно удаётся найти и более изящную разводку.

Как ошибаются с землёй

Пусть на одной плате соседствуют усилитель слабого сигнала датчика и драйвер мотора с большим током нагрузки (схема ниже). В правильном варианте:

каждый каскад получает питание своим проводом прямо от измерительных выводов стабилизатора, поэтому падение на проводах драйвера не отражается на питании усилителя датчика;
ток мотора, возвращаясь к блоку питания, не проходит по земле входа;
по проводу земли усилителя датчика к общей точке тока нет вовсе.

Общую точку звезды удобно сделать прямо у входного разъёма, там же соединив её с корпусом.

12345

Что здесь что (5)

Блок питания. выводы +U, «изм» (измерительный) и «общ»; от них звездой расходятся отдельные провода.
Усилитель датчика. питание — своим проводом; его земля идёт к общей точке и тока не несёт.
Драйвер мотора. его большой ток питания идёт по собственному проводу.
Мотор. ток нагрузки возвращается к блоку питания отдельным проводом, минуя землю входа.
Общая точка — корпус. единственная точка заземления; удобно разместить у входного разъёма.

1234

Плата, на которой рядом живут усилитель датчика и драйвер мотора. Вверху — правильно: питание и земля расходятся от блока питания звездой, ток мотора возвращается своим проводом. Внизу — ошибка: ток мотора I_м течёт по общей дорожке земли r_дор, падение на ней попадает на вход, а питание усилителя «качается» вместе с нагрузкой.

Что здесь что (4)

Общий участок дорожки $r_{дор}$ . ток мотора $I_{м}$ создаёт на нём падение, которое прибавляется к сигналу датчика.
Общий провод питания. пульсации от тока драйвера попадают в питание усилителя.
Вход. отсчитывается от «качающейся» земли — помеха входит в сигнал.
Ток мотора. возвращается по той же земле, к которой привязан вход.

В неправильном варианте ошибок сразу две.

Скачки напряжения питания, вызванные током драйвера, попадают в питание усилителя датчика. Если его подавление пульсаций питания невелико, это может вызвать даже самовозбуждение всей системы.
Ещё хуже: ток мотора на пути к блоку питания течёт по общей дорожке, создавая на ней переменное падение, и «земля» усилителя качается относительно земли блока питания. Вход привязан к этой «живой» земле — и помеха складывается с сигналом.

Правило. Мораль: знайте, где текут большие токи, и следите, чтобы их падения не попадали на вход.

Чувствительному каскаду полезно дать собственную RC-развязку по питанию (ниже); в трудных случаях — даже отдельный стабилитрон или маленький трёхвыводной стабилизатор.

1234

Отдельная RC-развязка питания для чувствительного каскада: пульсации, которые создаёт мощный каскад на общей шине, гасятся фильтром нижних частот.

Что здесь что (4)

Мощный каскад. питается прямо от шины +U; его ток вызывает на шине пульсации.
Резистор 47 Ом. вместе с C образует ФНЧ на пути пульсаций.
Конденсатор C. отводит пульсации на землю; к электролиту параллельно ставят керамику.
Входной каскад. питается уже отфильтрованным напряжением.

Упражнение 7.5.4

На плате как в неправильном варианте выше ток мотора — импульсы ШИМ по 3 А, общий участок дорожки земли имеет сопротивление 15 мОм, а усилитель датчика усиливает в 50 раз сигнал 20 мВ. Найдите амплитуду помехи, приведённую ко входу, и на выходе усилителя.

на входе =мВна выходе =В

Решение

Падение на общем участке $3 \cdot 0, 015 = 45$ мВ включено последовательно со входом — это больше самого сигнала (20 мВ)! На выходе — импульсы $45 \cdot 50 = 2, 25$ В (если усилитель не насытится). Хватает пары сантиметров тонкой дорожки, чтобы всё испортить. Лекарство — отдельный путь возврата для тока мотора, как в правильном варианте, а не более толстая дорожка.

Упражнение 7.5.5

Аналоговый каскад, потребляющий 8 мА, питают от шины импульсного стабилизатора через RC-фильтр 47 Ом / 100 мкФ. Найдите частоту среза фильтра, ослабление пульсаций на частоте 20 кГц и постоянное падение на резисторе.

f_ср =Гцослабление =дБΔU =В

Решение

$f = 1/ (2 π RC) = 1/ (2 π \cdot 47 \cdot 1 0^{- 4}) \approx 33, 9$ Гц; на 20 кГц $∣ K ∣ = 1/ 1 + (f / f_{ср})^{2} \approx 1/591$ , т. е. около 55 дБ. (Реальный электролит со своим ESR и индуктивностью ослабит меньше — параллельно ему ставят керамику.) Падение $0, 008 \cdot 47 \approx 0, 38$ В — его надо учесть в бюджете напряжений.

7.5.3Земля между приборами

≈ 18 мин4 упр.

Главное

Сигналы высокого уровня (вольты, логика) соединяют напрямую: разность «земель» на их фоне мала.
Малые сигналы — дифференциальный приём, псевдодифференциальное включение (выигрыш в $K_{U}$ раз), экранированная витая пара.
Тяжёлые случаи — изолирующие усилители (трансформатор, свет, ёмкость), для цифры — оптоизоляторы.
Высокоомные источники — охрана: экран под потенциалом сигнала убирает утечки и ёмкость кабеля.

Одна точка заземления внутри прибора — прекрасно. Но что делать, когда сигнал идёт из одного прибора в другой, и у каждого своё мнение о том, где «земля»? Между заземляющими контактами двух розеток даже в одной комнате есть напряжение — сетевая наводка, её гармоники, радиочастоты (силовая проводка — отличная антенна), выбросы. Как с этим жить, зависит от уровня сигнала.

Как соединить два прибора

Сигнал — вольты или логика?просто соедините приборы
Сигнал малый?дифференциальный приёмник или псевдодифференциальное включение
Сильные ВЧ-помехи на кабеле?ферритовое кольцо — продольный трансформатор
Источник плавающий?экран заземляют только у усилителя
Разность земель — сотни вольт и больше?изолирующий усилитель, для цифры — оптоизолятор
Источник с сопротивлением в сотни МОм?охрана: экран под потенциалом сигнала

Сигналы высокого уровня

Если сигнал измеряется вольтами или это логические уровни, приборы просто соединяют и забывают о проблеме. Генератор между двумя «землями» на схеме ниже — та самая разность потенциалов между розетками в одной комнате или, что хуже, в разных концах здания. На фоне вольтового сигнала её милливольты не видны.

Два прибора с сигналами высокого уровня: разность потенциалов их «земель» ΔU_земли (наводка сети, гармоники, ВЧ, выбросы) мала по сравнению с сигналом, и приборы можно просто соединить.

Малые сигналы и длинные линии

С сигналом в милливольты так нельзя. Вариантов несколько, два из них на схемах ниже. В первом коаксиальный кабель соединён с корпусом и схемной землёй источника, а у приёмника изолирован от корпуса (изолированный разъём BNC).

На входе приёмника стоит дифференциальный усилитель: он вычитает синфазную составляющую — потенциал «земли источника», пришедший по экрану. Полезно соединить экран с местной землёй через небольшое сопротивление (десятки ом), зашунтированное конденсатором: это ограничит разность «земель» и защитит входной каскад.

А если на приёмной стороне обычный каскад с одним входом, например неинвертирующий на ОУ? Тогда выручает псевдодифференциальное включение: нижний конец цепи обратной связи соединяют не со своей землёй, а с экраном, и лишь через резистор в десяток-другой ом — со схемной землёй. Это сопротивление много больше сопротивления земли источника, поэтому потенциал общей точки каскада задаёт именно земля источника.

Помеха земли при этом не исчезает, но проходит на выход с усилением 1, а сигнал — с усилением $K_{U}$ : отношение сигнала к помехе земли улучшается в $K_{U}$ раз. Это не настоящий дифференциальный усилитель с огромным КОСС, но работает хорошо — с эффективным КОСС, равным $K_{U}$ . Тот же приём годится и внутри прибора, когда мешает шум земли.

Два способа передать малый сигнал между приборами. Сверху: коаксиальный кабель, экран связан с корпусом передатчика, а у приёмника изолирован и соединён с землёй лишь через 47 Ом ‖ 22 нФ; дифференциальный приёмник вычитает потенциал «чужой земли». Снизу: экранированная витая пара, экран на корпусах с обеих сторон, сигнал дифференциальный.

123456

Псевдодифференциальный приём обычным неинвертирующим каскадом: нижний конец цепи ОС (резистор 1 кОм) соединён с экраном — землёй источника — и лишь через 22 Ом со своей землёй. Помеха земли проходит на выход с усилением 1, сигнал — с K = 48.

Что здесь что (6)

Жила кабеля. сигнал источника вместе с потенциалом его «земли».
Экран. несёт потенциал земли источника.
Неинвертирующий каскад. усиливает разность «жила − общая точка»: сигнал с $K = 48$ .
47 кОм. резистор обратной связи.
1 кОм. нижний резистор ОС; его нижний конец — общая точка, соединённая с экраном.
22 Ом к схемной земле. много больше сопротивления земли источника — общую точку «держит» земля источника; помеха земли проходит с усилением 1.

Упражнение 7.5.6

Сигнал датчика давления 20 мВ передаётся на контроллер в соседнем шкафу; разность потенциалов «земель» шкафов — 5 мВ (50 Гц). Найдите отношение сигнал/помеха (в дБ) при простом однопроводном соединении и при псевдодифференциальном приёме каскадом с $K_{U}$ = 48.

простое =дБпсевдодифф. =дБ

Решение

Простое соединение: помеха земли просто складывается с сигналом, $20 l g (20/5) \approx 12, 0$ дБ. Псевдодифференциальное: на выходе сигнал $20 \cdot 48 = 960$ мВ, помеха 5 мВ (усиление 1), $20 l g 192 \approx 45, 7$ дБ — выигрыш ровно $K_{U}$ , т. е. 33,6 дБ.

Во втором варианте — экранированная витая пара, экран соединён с корпусами на обоих концах. Это не опасно: сигнал по экрану не идёт. На приёмной стороне снова дифференциальный усилитель. Логические сигналы по такой линии выгодно передавать парафазно — прямым и инверсным.

При очень больших разностях «земель» берут изолирующие усилители (выдерживают киловольтные синфазные напряжения), а для цифровых сигналов — оптоэлектронные изоляторы. На радиочастотах синфазную помеху хорошо подавляет трансформатор на приёмном конце (а на передающем он же легко даёт парафазный сигнал); трансформаторы популярны и в профессиональной звуковой технике, хотя громоздки и вносят некоторые искажения.

В очень длинных линиях (километры) полезно не пускать по экрану большие ВЧ-токи (схема ниже): экран соединяют с корпусом через небольшой дроссель. По постоянному току экран остаётся у потенциала земли, а ВЧ-токам путь закрыт. Дифференциальному приёмнику, работающему с витой парой, напряжение на экране не мешает. Там же стоит защита, не дающая синфазному напряжению выйти за пределы питания.

123456

Приёмный конец линии длиной в километры: экран связан с корпусом через ВЧ-дроссель (или малый резистор), так что по постоянному току он заземлён, а большие ВЧ-токи по нему не текут; диоды на шины ±12 В (стабилитроны с конденсаторами) не дают синфазному напряжению уйти слишком далеко.

Что здесь что (6)

Экранированная витая пара. сигнал идёт по паре, экран сигнала не несёт.
ВЧ-дроссель. по постоянному току экран у земли, но большим ВЧ-токам путь закрыт.
Резисторы 220 Ом. ограничивают ток через защитные диоды.
Диоды на +12 В. не дают синфазному напряжению подняться выше +12 В.
Диоды на −12 В. то же снизу; шины ±12 В — стабилитроны с конденсаторами.
Дифференциальный усилитель. вычитает синфазную составляющую — напряжение экрана ему безразлично.

В многожильном кабеле синфазная наводка на всех проводах одинакова, поэтому хватает одного опорного провода, заземлённого только на передающем конце. На приёмном конце его потенциал относительно местной земли служит вторым входом для всех $n$ дифференциальных усилителей.

Многожильный кабель с одним опорным проводом: его заземляют только на передающем конце, а на приёмном его потенциал (через буфер) служит вторым входом для всех n дифференциальных усилителей.

Все эти схемы хорошо давят помехи на низких и средних частотах, но против радиочастотных бывают бессильны: на ВЧ у приёмного дифференциального усилителя мал КОСС.

Тогда кабель целиком наматывают на ферритовое кольцо. Индуктивность кабеля «как целого» растёт, сопротивление синфазному ВЧ-току увеличивается, и на дальнем конце его легко отвести на землю парой небольших конденсаторов. Дифференциальный сигнал при этом не ослабляется: индуктивности сигнальных проводов и экрана образуют трансформатор с отношением витков 1 : 1 — так называемый продольный трансформатор.

Кабель, намотанный на ферритовое кольцо: синфазный ток видит во всех проводах последовательную индуктивность, а дифференциальный сигнал проходит, как через трансформатор 1 : 1, без ослабления.

Плавающий источник сигнала

Рассогласование «земель» ещё опаснее на входах низкого уровня, где сигнал — доли милливольта: термопара, магнитная головка, электромагнитный датчик расхода. Таким источникам нужен экранированный кабель, и если заземлить экран с обеих сторон, разность «земель» войдёт прямо в сигнал. Правильно — оставить экран у источника свободным.

12345

Плавающий источник малого сигнала: экран кабеля заземляют только у усилителя, у источника его оставляют свободным — иначе разность «земель» войдёт в сигнал.

Что здесь что (5)

Плавающий источник. термопара: милливольты, с землёй не соединена.
Экран у источника — свободен. если заземлить и здесь, разность «земель» войдёт в сигнал.
Экранированный кабель. сигнал идёт по двум жилам внутри экрана.
Экран заземлён у усилителя. единственная точка соединения экрана с землёй.
Дифференциальный усилитель. усиливает разность жил.

Правило. Экран кабеля от плавающего источника малого сигнала заземляют с одной стороны — у усилителя.

Изолирующие усилители

Когда разность «земель» измеряется сотнями вольт и больше, помогает изолирующий усилитель — готовый узел, который переносит аналоговый сигнал (начиная с постоянного тока) из цепи с одной землёй в цепь с совсем другой. В экзотических случаях потенциалы этих «земель» расходятся на многие киловольты.

В медицинской технике изоляция обязательна по закону: электроды на теле пациента должны быть полностью отделены от цепей, питаемых от сети. Изолирующие усилители строят на одном из трёх принципов.

123

Изолирующий усилитель в общем виде: аналоговый сигнал (начиная с постоянного тока) переходит из цепи с одной «землёй» в цепь с совершенно другой.

Что здесь что (3)

Входная сторона. своё питание, свой «общий»; связана с землёй объекта (корпусом).
Изолирующий барьер. выдерживает сотни вольт — киловольты между «землями».
Выходная сторона. сигнал отсчитывается от совсем другой земли.

Трансформаторная развязка. Сигнал (от 0 до ~10 кГц) модулирует по частоте или по ширине импульсов ВЧ-несущую, которая проходит через трансформатор. Большое удобство — питание нужно подавать только с одной стороны: внутри есть свой преобразователь постоянного напряжения с трансформаторной связью. Изоляция — до 3,5 кВ, полоса обычно около 2 кГц (у некоторых моделей до 20 кГц).

Трансформаторная изоляция: сигнал модулирует ВЧ-несущую (ЧМ или ШИМ), трансформатор переносит её через барьер, дальше демодуляция и фильтр; второй трансформатор со встроенным преобразователем передаёт питание на другую сторону.

Оптическая передача: светодиод на передающей стороне, фотодиод на приёмной. Несущая не нужна — свет передаёт и постоянную составляющую. Чтобы получить линейность, используют красивый приём: свет того же светодиода падает ещё и на второй, согласованный фотодиод на передающей стороне, включённый в цепь обратной связи. Нелинейности светодиода и фотодиодов при этом взаимно вычитаются. Питание нужно с обеих сторон; изоляция — до 750 В, полоса — около 60 кГц.

1234567

Оптическая изоляция с обратной связью: светодиод светит на два согласованных фотодиода. ФД1 замыкает петлю на передающей стороне, поэтому ток ФД2 точно повторяет входной ток, а нелинейности светодиода и фотодиодов взаимно вычитаются.

Что здесь что (7)

R_вх. превращает входное напряжение во входной ток.
ОУ передающей стороны. управляет светодиодом так, чтобы ток ФД1 уравновесил входной ток.
Светодиод. освещает одновременно ФД1 и, через барьер, ФД2.
ФД1 — фотодиод обратной связи. замыкает петлю на передающей стороне и компенсирует нелинейность светодиода.
Изолирующий барьер. до 750 В; через него проходит только свет.
ФД2. согласован с ФД1, поэтому его ток точно повторяет входной.
R_ос и ОУ приёмной стороны. превращают ток ФД2 в напряжение: $U_{вых} = U_{вх} R_{ос} / R_{вх}$ .

Ёмкостная связь: несущая, частотно-модулированная сигналом, проходит через барьер по двум конденсаторам в несколько пикофарад. Обратной связи через барьер, как и в трансформаторном варианте, нет. Большинству моделей нужно питание с обеих сторон — обычно оно и так есть, ведь по обе стороны работают схемы, создающие и использующие сигнал; если нет, ставят изолированный преобразователь. Изоляция — до 3,5 кВ, полоса — до 70 кГц.

Ёмкостная изоляция: несущая, частотно-модулированная сигналом, проходит через барьер по двум конденсаторам в единицы пикофарад.

Три способа изолировать аналоговый сигнал

	Трансформаторная	Оптическая	Ёмкостная
Как передаётся	ВЧ-несущая с ЧМ или ШИМ через трансформатор	свет: светодиод → фотодиод (и постоянный ток)	ВЧ-несущая с ЧМ через 2 конденсатора по несколько пФ
Питание	только с одной стороны (встроенный преобразователь)	с обеих сторон	у большинства — с обеих сторон
Изоляция	до 3,5 кВ	до 750 В	до 3,5 кВ
Полоса	≈ 2 кГц (у некоторых до 20 кГц)	60 кГц	до 70 кГц

Все изолирующие усилители рассчитаны на аналоговые сигналы умеренной полосы и стоят заметных денег. С цифровыми сигналами всё проще и дешевле: оптоизоляторы с полосой до 10 МГц и выше, выдерживающие несколько киловольт, стоят копейки (о согласовании их с логикой — в разделе 9.1).

Упражнение 7.5.7

Нужно передать сигнал токового шунта (единицы десятков милливольт, полоса до 40 кГц для контура регулирования тока) из силовой части солнечного инвертора, которая находится под потенциалом до 1,5 кВ относительно земли, в контроллер. На силовой стороне есть изолированное питание от драйвера ключей. Что выбрать?

Решение

Обычный дифференциальный каскад не выдержит 1,5 кВ синфазного напряжения — его входы выйдут далеко за пределы питания. Трансформаторный изолирующий усилитель выдержит напряжение, но его полоса (около 2 кГц, в лучшем случае 20 кГц) мала для контура тока на 40 кГц. Оптический вариант по полосе подходит (60 кГц), но его изоляция — лишь до 750 В. Ёмкостный изолирующий усилитель держит до 3,5 кВ, пропускает до 70 кГц, а питание с обеих сторон здесь как раз есть.

Охрана высокоомного входа

Близкий по духу приём — охранный экран (guard). Он изящно снимает две беды высокоомных источников: ёмкость и утечку кабеля. Пусть сигнал идёт от микроэлектрода или ёмкостного датчика с внутренним сопротивлением в сотни мегаом. Даже несколько десятков пикофарад кабеля образуют с таким источником ФНЧ с частотой среза в единицы — десятки герц! А конечное сопротивление изоляции кабеля легко ухудшит на порядки параметры усилителя, у которого входной ток меньше пикоампера.

Решение — внутренний экран, соединённый с выходом повторителя. Он находится под тем же потенциалом, что и жила, поэтому ни ток утечки, ни ток перезаряда ёмкости между ними не текут. Снаружи — второй, заземлённый экран, защищающий охранный электрод от помех. Ёмкость и утечка между экранами повторителю безразличны: у него малое выходное сопротивление.

Злоупотреблять приёмом не стоит: повторитель ставят как можно ближе к источнику и охраняют лишь короткий отрезок кабеля между ними. Дальше сигнал уже низкоомный, и его можно вести к удалённому усилителю по обычному экранированному кабелю.

123456

Охрана высокоомного входа: внутренний экран ведёт повторитель точной копией сигнала, так что между жилой и её окружением нет разности потенциалов — ни утечки, ни перезаряда ёмкости кабеля. Наружный заземлённый экран защищает охранный электрод от помех.

Что здесь что (6)

Высокоомный источник. микроэлектрод или ёмкостный датчик, сотни мегаом.
Жила. сигнал; между ней и охранным экраном нет разности потенциалов — нет утечки и перезаряда ёмкости.
Внутренний экран — охрана. ведётся повторителем точной копией сигнала.
Наружный экран. заземлён; защищает охранный электрод от помех.
Повторитель ×1. малое выходное сопротивление: ёмкость и утечка между экранами ему не мешают.
Обратная связь на охрану. выход повторителя питает внутренний экран.

Совет. Не злоупотребляйте охраной: повторитель ставят вплотную к источнику, а дальше низкоомный сигнал идёт по обычному экранированному кабелю.

Упражнение 7.5.8

Стеклянный микроэлектрод с сопротивлением 200 МОм подключён к усилителю кабелем ёмкостью 30 пФ. Найдите частоту среза получившегося ФНЧ. Какой она станет, если внутренний экран вести повторителем с коэффициентом передачи 0,9995 (эффективная ёмкость $C (1 - K)$ )?

f_ср =Гцс охраной =кГц

Решение

$f = 1/ (2 π RC) = 1/ (2 π \cdot 2 \cdot 1 0^{8} \cdot 3 \cdot 1 0^{- 11}) \approx 26, 5$ Гц — нервный импульс длительностью в миллисекунду безнадёжно размоется. С охраной на ёмкости кабеля остаётся лишь $(1 - K) = 5 \cdot 1 0^{- 4}$ от напряжения сигнала, и эффективная ёмкость падает в 2000 раз, до 15 фФ: $f \approx 53$ кГц. Теперь полосу ограничат входная ёмкость самого повторителя и монтаж.

Помехи на выходе

Выходное сопротивление ОУ обычно так мало, что о ёмкостных наводках на выход не думают. Но если помехи высокочастотные или резкие, а от выходного напряжения требуется точность, беспокоиться есть о чём.

Пример на схеме ниже: ОУ выдаёт опорное напряжение 2,5 В для АЦП с точностью 0,2 мВ, а рядом проходят логические сигналы с перепадами 1 В/нс. Выходное сопротивление ОУ с замкнутой обратной связью растёт с частотой (вспомните раздел 4.4) и на частотах помехи составляет уже около 10 Ом. Ток через паразитную ёмкость $C d U / d t$ создаёт на этом сопротивлении помеху $U = Z_{вых} C d U / d t$ . Какую ёмкость можно себе позволить?

Допустимая ёмкость связи на выход ОУ

U = Z_{вых} C \frac{d U}{d t} \Rightarrow C < \frac{0 , 2 мВ}{10 Ом \cdot 1 0 ^{9} В / с} = 0, 02 пФ

Обозначения:

Z_{вых}

C

d U / d t

Две сотых пикофарады — это почти ничего: столько дают две дорожки длиной в несколько миллиметров. Что делать:

в первую очередь — держать точные аналоговые цепи подальше от скоплений быстрой логики;
шунтировать выход ОУ конденсатором средней ёмкости (возможно, через небольшой последовательный резистор ради устойчивости), пожертвовав скоростью нарастания. Конденсатор работает двояко: снижает частоту помехи до той, где обратная связь ещё способна её подавить, и вместе с паразитной ёмкостью образует ёмкостный делитель;
поставить буфер с малым выходным сопротивлением или мощный ОУ.

И, конечно, экраны, витые пары и близость к сплошному слою земли никто не отменял.

1234

Точное напряжение с выхода ОУ идёт к АЦП мимо быстрой логики: ток через паразитную ёмкость создаёт помеху на выходном сопротивлении ОУ, которое на высоких частотах уже не мало.

Что здесь что (4)

Прецизионный ОУ. выходное сопротивление растёт с частотой: около 10 Ом на частотах помехи.
Аналоговая линия. опорное напряжение 2,5 В с точностью 0,2 мВ.
Паразитная ёмкость. ток $C d U / d t$ на $Z_{вых}$ даёт помеху; допустимо лишь ≈ 0,02 пФ.
Логика. перепады 3,3 В за 3,3 нс.

0,02 пФдопустимая ёмкость

1 В/нсскорость логики

≈ 10 Ом

Z_{вых}

ОУ на ВЧ

Упражнение 7.5.9

Буфер опорного напряжения с выходным сопротивлением 5 Ом на частотах помехи должен держать точность 0,1 мВ, а рядом проходит шина памяти с перепадами 3 В/нс. Найдите наибольшую допустимую ёмкость связи.

C =пФ

Решение

$C = U / (Z_{вых} d U / d t) = 1 0^{- 4} / (5 \cdot 3 \cdot 1 0^{9}) \approx 6, 7 \cdot 1 0^{- 15}$ Ф, т. е. около 0,007 пФ — меньше ёмкости двух дорожек длиной в миллиметр. Без заземлённой дорожки-экрана между ними или шунтирующего конденсатора на выходе здесь не обойтись.