УД К 621.S91.82 В книге с единых позиций и в доступной, но строгой форме изложены методы подавления шумов и помех в электронных цепях. Рассмотрены виды источников по- мех и шумовые характеристики электронных компонен- тов и схем. Приводятся практические схемы подавления шумов и наводок и их характеристики, расчетные гра- фики и номограммы. Книга является незаменимым посо- бием для специалистов по радиоэлектронике, занятых разработкой и эксплуатацией самых разнообразных устройств: управляющих вычислительных машин, изме- рительных приборов, систем звукозаписи, телевизионной аппаратуры и др. Редакция литературы по новой технике 2403000000 30401-158 041(01)-79 15879 © 1976 by Bell Telephone Laboratories, Incorpora- ted. All Rights Reserved. Authorized translation from English language edition published by John Wiley and Sons, Inc. © Перевод на русский язык, «Мир», 1979 ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА В настоящее время в электронной технике проблема подавле- ния шумов и защиты от них стоит весьма остро, но, к сожалению, литературы по этим вопросам выходит очень мало. Положение усугубляется тем, что книги, посвященные теоретическому анализу шумов, обычно не содержат практических рекомендаций, а послед- ние если и появляются в печати, то только в составе прикладных работ по приборостроению и, как правило, слабо увязаны с тео- рией. В этом смысле предлагаемая вниманию читателя книга Г. Отта представляется приятным исключением: читатель здесь может найти как достаточно ясное изложение основных результатов, до- стигнутых в теории, так и подробные практические рекомендации по построению аппаратуры в широком диапазоне частот. Круг вопросов, рассмотренных в данной книге, очень широк: от техники заземления до разновидностей шумов, генерируемых элементами, от физики работы контактных соединений до выбора материала экранирующих корпусов. В этой связи необходимо от- метить педагогическое мастерство автора, которое позволяет ему сохранять нужное соотношение между наглядностью изложения и исчерпывающим с точки зрения инженерной практики анализом проблем. Книга Г. Отта — отнюдь не набор готовых рецептов, который, кстати говоря, и нельзя создать для решения столь сложной, тре- бующей учета многих факторов задачи, как проблема подавления шумов. Но важнейшим достоинством книги является соединение комплексного системного подхода к проектированию аппаратуры с полным описанием всех факторов, влияющих на генерирование шумов и чувствительность к ним. Представляется очень важным предложенный здесь принцип решения проблемы подавления шумов на этапе проектирования аппаратуры, который автор считает основополагающим. Можно только рекомендовать всем разработчикам неизменно следовать ему. Именно этот .подход делает книгу Г. Отта особенно интерес- ной и актуальной. Предисловие редактора перевода Намеренно или случайно автор уделил мало внимания такому важному схемотехническому приему подавления помех, как галь- ваническое разделение цепей. Возможно, это связано с тем, что указанный метод в достаточной мере рассмотрен в ряде моногра- фий, изданных в последнее время. Среди публикаций на русском языке по этим вопросам можно рекомендовать соответствующие главы в книгах как отечественных, так и зарубежных авторов'). Следует отметить компактное, строгое и вместе с тем свободное изложение материала автором. При 'подготовке перевода мы ста- рались сохранить эти достоинства книги, несмотря на определен- ные терминологические трудности. Доступная и наглядная форма изложения, точность отбора материала, внимание к важным для практики тонкостям, характеризующие книгу Г. Отта в целом, делают ее незаменимым пособием для инженеров-проектировщи- ков электронной аппаратуры, а также лиц, использующих послед- нюю в повседневной практике. М. Гальперин ') Управляющие вычислительные машины в АСУ ТП/ Под ред. Т. Харрисона, т. 1, М.: Мир, 1875; Гальперин М. В., Злобин Ю. П., Павленко В. А. Усилители постоянного тока.—М.: Энергия, 1978. ПРЕДИСЛОВИЕ Эта книга посвящена практическим аспектам подавления и оценки шумов в электронных цепях. Она предназначена прежде всего для инженеров-практиков, занимающихся разработкой элек- тронных систем и аппаратуры, но может служить и пособием для преподавателей, читающих лекции по практическим вопросам шу- моподавления. Концепции подавления шумов, изложенные в этой книге, можно применять к схемам, работающим в диапазоне от звуковых частот до СВЧ. Однако основное внимание уделяется проблемам шумоподавления на низких и средних частотах, так как в имеющейся литературе они получили наименьшее освещение. Устранение шумов в проектируемых схемах или системах— одна из наиболее трудноразрешимых задач, стоящих перед инже- нером-разработчиком. Большинство инженеров недостаточно под- готовлено для решения проблем борьбы с шумами, так как в выс- ших технических учебных заведениях этот предмет обычно не изу- чается, а имеющиеся публикации рассеяны по различным журналам. Проблема шумов решается обычно методом проб и ошибок при слабом понимании (или полном непонимании) механизмов, их вы- зывающих. Такой подход поглощает массу времени, а решение вопроса может оказаться несостоятельным, если изменятся усло- вия работы проектируемого оборудования. Все это достойно сожа- ления, поскольку большинство приведенных здесь идей просты и их можно объяснить из элементарных физических представлений. Основой книги послужил конспект курса лекций, читавшегося сотрудникам Bell Laboratories сначала в нерабочее время, а впос- ледствии ставшего частью обязательной программы обучения, проводимого в рабочие часы. Книга ориентирована на разработ- чика; объем и сложность математического аппарата сведены в ней к минимуму. В некоторых случаях модели, отражающие физи- ческие явления, упрощены, с тем чтобы сделать их удобными для практического применения. При разумных упрощающих посылках результаты имеют ясную физическую интерпретацию. Материал скомпонован следующим образом. Гл. 1 служит вве- дением в предмет подавления шумов. В гл. 2 и 3 даны два основ- Предисловие ных метода борьбы с шумами—экранирование и заземление соот- ветственно. В гл. 4 рассмотрены другие методы подавления шумов, такие, как развязка, фильтрация и использование 'балансных схем. В гл. 5 на примере 'пассивных элементов показаны характеристи- ки, влияющие на шумовые свойства элементов, и их использование в схемотехнике шумоподавления. Гл. 6 посвящена детальному ана- лизу эффективности экранирования при помощи металлических экранов. В гл. 7 рассматриваются реле и переключатели и обсуж- даются методы подавления шумов, генерируемых этими элемента- ми. Гл. 8 посвящена внутренним источникам шумов, определяю- щим тот минимальный уровень шумов, который теоретически можно получить в данной схеме. В гл. 9 обсуждаются шумы тран- зисторов и интегральных схем. В конце каждой главы даны краткие выводы по большинству обсуждаемых в ней вопросов. Для тех, кому потребуется дополни- тельная информация, в книгу включена библиография. Кроме то- го, в 'приложении 1 рассмотрен децибел—единица измерения шу- мов в аналоговых системах связи на звуковой частоте. Приложе- ние 2 (выполнено в виде «контрольного листка») содержит полную сводку наиболее широко применяемых приемов шумопо- давления. Типовые задачи к каждой главе можно найти в прило- жении 4, а ответы к ним приводятся в приложении 5. Я благодарен г-ну С. Д. Уильямсу младшему, который помог мне составить конспекты лекций для семинарских занятий по про- блемам шумоподавления. Эта работа явилась тем зерном, из ко- торого выросла данная книга. Я также благодарен многим слу- шателям, чей энтузиазм немало способствовал продолжению этой работы. Особую признательность я хотел бы выразить г-ну Ф. П. Салливану и г-же А. Л. Вассер за оформление рукописи, а г-ну Л. Е. Моррису и г-ну Д. Н. Герману за множество полезных предложений. Кроме того, мне хотелось бы поблагодарить всех коллег, просмотревших рукопись и сделавших полезные замеча- ния. И наконец, я благодарен руководству Bell Laboratories за содействие и поддержку. Генри У. Отт Уиппани, Нью-Джерси Июль 1975 г. ОБОЗНАЧЕНИЯ Магнитная индукция (плотность магнитного потока) Полоса шумов Емкость Распределенная емкость линии связи Расстояние между центрами отверстий Расстояние между проводниками Диаметр Напряженность электрического поля Напряжение питания Основание натурального логарифма (2,7183) Шум-фактор Частота Частота резонанса Частота среза Верхняя граница полосы пропускания на уровне—3 дБ Граничная частота усиления по току транзистора при включении его по схеме с общей базой Проводимость источника сигналов Входная проводимость Крутизна прямой передачи Напряженность магнитного поля Высота проводника над заземляющей поверхностью Расстояние между плоскими проводниками Ток Сигнальный ток Ток дробовых шумов Минимальный ток дугового разряда Ток заземления (возвратный ток) Ток нагрузки Ток утечки затвора полевого транзистора Ток шумов Эквивалентный ток шумов, приведенный к входу Ток экрана Ток в момент времени t=0 Постоянный ток Обозначения // Ток шумов вида l/f It Ток тепловых шумов i Мгновенное значение тока / Единичный вектор вдоль мнимой оси К Постоянный коэффициент К, Ки Коэффициент усиления по напряжению /Сотр Потери на отражение (дБ) Км. отр Корректирующий коэффициент, учитывающий много- кратное отражение в тонких экранах (дБ) Кпотл Потери на поглощение Куп. с/ш Коэффициент улучшения отношения сигнал/шум Кта Коэффициент шума Кэ Коэффициент (эффективность) экранирования (дБ) К.р Коэффициент усиления по мощности k Постоянная Больцмана L Индуктивность Ln Распределенная индуктивность линии связи La Индуктивность экрана Lc Последовательная (паразитная) индуктивность конден- сатора I Длина М Взаимная индуктивность, коэффициент взаимоиндукции m Произвольное целое число N Функция цепи Р Мощность Ре Мощность сигнала Рш Мощность шумов р Плотность распределения вероятностей q Заряд электрона R Сопротивление Rr Сопротивление источника РГ. опт Сопротивление источника, при котором Km минимален Рз Сопротивление цепи заземления (цепи возвратного тока) Рл Распределенное сопротивление линии связи Ra Сопротивление нагрузки /?пр Сопротивление проводника /?== Сопротивление постоянному току R - Сопротивление переменному току Re Последовательное сопротивление конденсатора г Расстояние от источника шумов Гб Сопротивление базы в Т-образной эквивалентной схеме транзистора /•к Сопротивление коллектора в Т- образной эквивалентной схеме транзистора Гэ Сопротивление эмиттера в Т-образной эквивалентной схеме транзистора Обозначения 11 5 Площадь Т Температура Гэкв Эквивалентная температура входных шумов То Стандартная опорная температура t Время t Толщина 4 Длительность .фронта (нарастания) импульса U Напряжение Ur Напряжение сигнала ^д„ф Дифференциальное напряжение шумов Уд. мин Минимальное напряжение дугового разряда Из Напряжение земли (падение напряжения между двумя точками цепи заземления) Us Напряжение на контактах Ua Напряжение на нагрузке Un Напряжение пробоя (возбуждения тлеющего разряда) ^спнф Синфазное напряжение Uy Удерживающее напряжение (минимальное напряжение тлеющего разряда) Пта Напряжение шумов IJ-ns. Эквивалентное напряжение шумов, приведенное к входу 'Um. вых Напряжение шумов на выходе •Um. сум Суммарное эквивалентное напряжение входных шумов Um.J Эквивалентное напряжение шумов устройства, приве- денное к входу Ua Падение напряжения на экране U= Постоянное напряжение Ut Напряжение тепловых шумов w Ширина плоского проводника Z Импеданс (полное сопротивление) ZK Импеданс в цепи коллектора ZA Характеристическое (волновое) сопротивление линии связи Za Импеданс в цепи эмиттера Zg Полное сопротивление экрана Zo Характеристическое (волновое) сопротивление среды Zy, Волновое сопротивление а Коэффициент усиления по току транзистора при вклю- чении по схеме с общей базой р Коэффициент усиления по току транзистора при вклю- чении по схеме с общим эмиттером •V Коэффициент корреляции б Глубина скин-слоя е Относительная диэлектрическая .проницаемость ба Диэлектрическая проницаемость (абсолютная) Обозначения so Электрическая постоянная (диэлектрическая проницае- мость вакуума) Декремент затухания Угол Длина волны Относительная магнитная проницаемость ^а Магнитная проницаемость (абсолютная) ^о Магнитная постоянная куума) л 3,1416 Удельное сопротивление ротн Относительное удельное сопротивление (ротн==р/рмеди) а Удельная электрическая проводимость Оотн Относительная удельная ПРОВОДИМОСТЬ ((Тотн==(7/(Тмеди) Ф Магнитный 'поток о Круговая частота (Оср 2ri/cp (магнитная проницаемость ва- Глава 1 ПРОБЛЕМА ПОМЕХ Широкое использование электрических и электронных схем в связи, для распределения мощности, автоматизации, проведения вычислений, а также для других целей привело к тому, что раз- личные схемы работают в непосредственной близости друг к другу и взаимное отрицательное влияние схем возрастает. Электромаг- нитные помехи') стали основной проблемой для разработчиков схем, и похоже, что в будущем эта проблема станет еще более острой. Для целого ряда широко применяемых приборов такая тенденция отчасти уже ощущается. Более того, с ростом примене- ния интегральных схем размеры электронного оборудования умень- шаются. По мере того как приборы уменьшаются в размерах и становятся более сложными, все больше схем сосредоточивается в малом объеме, что увеличивает возможность взаимных помех. Сегодня от разработчиков аппаратуры требуется больше, чем просто сделать свои схемы работоспособными в идеальных лабо- раторных условиях. Помимо решения этой очевидной задачи, они должны гарантировать работу аппаратуры в «реальном мире», т. е. при наличии вблизи нее другого оборудования. Это означает, что на аппаратуру не должны оказывать влияния источники внеш- них шумов и сама она не должна являться источником шума. Полное устранение (или, что более реально, компенсация) элек- тромагнитных помех должно быть основной целью разработчика. Чтобы проиллюстрировать основные виды взаимных помех, ко- торые можно наблюдать в электронной аппаратуре, на фиг. 1.1 в качестве примера показана блок-схема радиоприемника. Его каска- ды гальванически связаны по шумам из-за наличия между ними проводников, а некоторые каскады излучают шумы в окружаю- щее пространство. Кроме того, токи от различных каскадов проте- кают через общее сопротивление заземляющей шины, создавая на нем напряжение шумов. Также имеет место связь между сигнала- ми в различных проводниках через электрические и магнитные по- ля. Проблемы, связанные с такими шумами, обусловлены дейст- вием помех, возникающих внутри оборудования, и они должны 11 В настоящее время предпочтение в использовании отдается более общему термину «электромагнитные помехи» вместо ранее употреблявшегося термина «радиопомехи». Фиг 1 1 Блок-схема радиоприемника, отдельные схемные узлы которого могут взаимодействовать друг с другом различ- ными способами. Передвижная радиостанция Сеть переменного тона Фиг. 1.2. Источники внешних электромагнитных шумов, воздействующие на радиоприемник. !6 Глава 1 Кон8!]ктивные шумы Сеть переиеннага тина Телевизионный приемник Фиг. 1.3. Воздействие помех, создаваемых радиоприемником, на другие схемы. •быть решены прежде, чем радиоприемник начнет работать в усло- виях лаборатории. Когда же приемник помещают в реальные ус- ловия, на него начинают воздействовать источники внешних шу- мов, такие, как, например, показаны на фиг. 1.2. В радиоприемник проникают токи шумов по сети переменного тока, и, кроме того, на него влияет электромагнитное излучение от различных источни- ков. В этом случае источники шумов находятся вне контроля раз- работчика, однако блок должен быть спроектирован таким обра- зом, чтобы он работал и в этих условиях. На фиг. 1.3 проиллюстрирована другая сторона проблемы шу- моподавления: радиоприемник сам может явиться источником шу- мов и создавать помехи другому оборудованию. Отдельные части схемы излучают шумы непосредственно, и, кроме того, шумы 'про- никают к другим схемам по сетевому кабелю. Ток шумов, проте- кающий по проводам питания, приводит к излучению дополнитель- ного шума. Проектировать аппаратуру так, чтобы генерация шу- мов в ней была сведена к минимуму, так же важно, как и разрабатывать се нечувствительной к помехам. Проблема помех. 17 Проектирование с учетом электромагнитной совместимости Электромагнитная совместимость—это способность аппарату- ры нормально функционировать в условиях создаваемых ею са- мой электромагнитных полей. Этот фактор необходимо принять во внимание на возможно более ранних стадиях проектирования оборудования. Если вопрос электромагнитной совместимости игно- рируется до тех 'пор, пока не возникнет при испытаниях, решение проблемы скорее всего будет дорогостоящим и неудовлетворитель- С/лаЗия проентирвВания ^^ ^ад^ i \, испытания производства / Методы ^^•^»,^ ^_^^г Стоимость\ шумопоаавления ^~~^~y^f^'^^ На5ор возможных методов и относительная стоимость решения про5мн шумопаааВлент брет Фиг. 1.4. Набор возможных методов и относительная стоимость решения проблем шумоподавления на различных стадиях разработки и изготовления. ным. По мере того как разработка аппаратуры проходит различ- ные стадии: от 'проектирования до испытаний и производства,— набор доступных разработчику способов борьбы с шумами неук- лонно уменьшается, в то время как их стоимость, напротив, возрастает (фиг. 1.4). Таким образом, решение проблем, связан- ных с помехами, на ранних стадиях разработки и изготовления дает обычно лучшие результаты и обходится дешевле. Так, например, если вопросы .подавления шумов рассмотрены для отдельного каскада или подсистемы на стадии проектирования аппаратуры, то методы уменьшения шумов окажутся достаточно простыми. Опыт показал, что, когда вопросы шумоподавления ре- шаются на этой стадии, разработчик в состоянии обеспечить созда- ние аппаратуры, в которой 80—90% потенциально возможных трудностей, связанных с шумами, будет устранено еще до проведе- ния испытаний. Если же система разрабатывалась без учета проблемы подав- ления шумов, почти наверняка на стадии испытаний эта проблема возникнет. Однако на этапе испытаний проведение анализа для выявления того, какая из множества возможных комбинаций пу- 2-857 18 Глава 1 тей проникновения шумов создает трудности, может быть совсем непростым и неочевидным. Решения, принимаемые на столь позд- нем этапе разработки, обычно влекут за собой применение допол- нительных компонентов, не являющихся неотъемлемой частью схемы. Дополнительные издержки при этом включают в себя затраты инженерного труда и стоимость добавляемых компонен- тов и их установки. При этом могут возрасти также размер, вес аппаратуры и рассеиваемая ею мощность. Следует также своевременно рассматривать задачу минимиза- ции величины шумов, генерируемых каждым устройством, по- скольку они могут влиять на работу других устройств. При этом всегда желательно как можно сильнее подавлять шумы в источ- нике, поскольку такой 'подход исключает 'проблему подавления по- мех для бесчисленного множества 'приемников. Следовательно, для обеспечения электромагнитной совместимости необходимо проек- тировать аппаратуру таким образом, чтобы она не оказывала от- рицательного воздействия на окружающее оборудование и чтобы сама не испытывала такового. Определения Шум можно определить как любой электрический сигнал в схе- ме, отличный от 'полезного. Важным исключением из этого опреде- ления являются искажения, возникающие в схеме в результате не- линейностей. Последние определяются схемотехническим решени- ем и не относятся непосредственно к проблеме шумоподавления. Хотя появление таких искажений нежелательно, но до тех пор, по- ка они, возникнув в одной части схемы, не воздействуют на ее другие части, их не рассматривают как шумы. Источники шумов можно разбить на три основных класса. Пер- вый включает в себя так называемые внутренние источники шу- мов, возникающих в результате случайных флуктуации внутри физических систем. Примерами внутренних шумов являются теп- ловой и дробовой шумы. Второй класс составляют 'источники шу- мов искусственного'происхождения, такие, как двигатели, переклю- чатели, передатчики. К третьему классу относятся источники шу- мов, представляющие собой возмущения естественного происхож- дения, например молнии и всплески солнечной активности. Помеху можно определить как нежелательный эффект от воз- действия шумов. Если напряжение шумов делает работу схемы неудовлетворительной, то это помеха. Обычно шумы невозможно совершенно уничтожить, можно лишь уменьшить их величину на- столько, что они не будут вызывать помех. Чувствительность—величина реакции прибора или схемы на нежелательную электрическую энергию (шум). Порог чувстви- тельности схемы или прибора есть максимальная величина шумов, при которой аппаратура еще работает удовлетворительно. Проблема помех, 19 Нормирование Проблемы помех и связанные с ними обязанности разработчи- ков аппаратуры можно понять лучше, если рассмотреть ряд при- меняемых правительственных и военных нормативных указаний и требований. В США 'применение средств 'проводной и радиосвязи регулиру- ет Федеральная комиссия связ'и (ФК.С). Часть ее требований отно- сится к контролю за уровнем помех. В нормалях ФКС в части 15 (для радиоаппаратуры) и части 18 (касающейся промышленного, научного и медицинского оборудования) содержатся разделы, пре- дусматривающие контроль такого рода. Эти нормали оговаривают допустимые уровни энергии, излучаемой аппаратурой различного класса. Типичным примером такого рода нормативных указаний явля- ется разд. 15.7, устанавливающий общие требования к устройствам с ограниченным радиусом излучения. ФКС определяет такое уст- ройство как «устройство, в котором генерирование энергии радио- частоты предусматривалось при разработке и в котором энергия радиочастоты передается по проводам или излучается...». Это та- кие устройства, как система дистанционного открывания дверей гаража, портативные дуплексные радиостанции на 100 мВт, бес- проводные микрофоны и охранные радиоустройства. Данный раз- дел предписывает, что напряженность электромагнитного поля для устройства, на которое не требуется иметь разрешения, на рас- стоянии К/2л (.приблизительно Ve длины волны) от устройства не должна превышать 15 мкВ/м и что оно должно работать при ми- нимальной мощности, обеспечивающей требуемые цели. При воз- никновении помех следует незамедлительно принять меры для их устранения. Если возникают помехи системам связи или навига- ции, устройство должно быть отключено до тех пор, пока не бу- дут устранены причины, их вызывающие. Другой пример нормативных указаний ФКС можно найти в разд. 15.31, касающемся любого устройства, создающего непредна- меренные излучения и определяемого как «устройство, излучаю- щее энергию радиочастоты в процессе своей работы, хотя оно не разрабатывалось специально для генерирования энергии радиочас- тоты». К этим устройствам относятся транзисторные приемники и управляемые вентили, электродвигатели, мощные преобразователи, системы зажигания для автомобилей, флуоресцентные лампы и схемы коммутации. В настоящее время ФКС определяет лишь общие требования к уровню помех от таких устройств, непреднамеренно создающих излучение. Рекомендации гласят: «Устройство, в котором излучение не предусмотрено при разработке, должно работать так, чтобы из- лучаемая им энергия радиочастоты не создавала вредных помех. 2* 20 Глава 1 В случае обнаружения таковых оператор должен немедленно при- нять меры для их устранения». ФК.С имеет полномочия по дальнейшему нормированию таких устройств в отношении создаваемых ими помех'). На сегодняшний день, однако, Комиссия не пользуется этими полномочиями, пола- гаясь на соответствующий самоконтроль в промышленности. Тем не менее, если промышленность проявит небрежность в этом деле, ФК.С может приступить к осуществлению юрисдикции в данной области. Устройства, в которых радиоволны используются для промыш- ленных, научных или медицинских целей, попадают под дейст- вие части 18 нормалей ФК.С. Это медицинское оборудование для радиочастотной сварки, устройства, используемые для изменения физических свойств различных веществ, и другие 'подобные устрой- ства, не предназначенные для связи. Часть 18 нормалей устанав- ливает, что оператор промышленного, научного или медицинского оборудования, создающего вредные 'помехи сети радиосвязи и ра- диопередач, должен незамедлительно предпринять шаги для уст- ранения этих помех. Другим важным источником информации 'по нормированию по- мех являются военные стандарты. Так, например, стандарт MIL-STD-461A устанавливает пределы допустимых помех от из- лучения на частотах от 30 Гц до 10 ГГц. Конкретные методики и операции для проведения проверки уровня помех содержатся в стандарте MIL-STD-462. Категории испытаний, определяемых стандартом MIL-STD-461A, сгруппированы в соответствии со схемой, представленной на фиг. 1.5. Испытания необходимо 'проводить как на определение создаваемого схемой излучения (проводного и беспроводного), так и на ее чувствительность к такого, рода излучениям (наводкам). Следует отметить, что, кроме мощности, излучаемой схемой в ок- ружающее пространство, военный стандарт отоваривает и допусти- мую величину шумов, наводимых устройством в силовых и сиг- нальных проводах, тогда как ФКС дает нормы лишь на мощность излучения во внешнюю среду. Военный стандарт является весьма всесторонним документом, и его часто используют и в граждан- ской промышленности в качестве руководства при разработке по- мехоустойчивого и не создающего помех 0'борудования. Приводимые ниже примеры требований стандарта MIL-STD- 461A также можно использовать как разумные критерии при раз- работке гражданской аппаратуры. В соответствии с тестом RE01, напряженность излучаемого маг- нитного поля на расстоянии 7 см от устройства не должна превы- 1) Закон 90-379, принятый в 1968 г. 10 100 10000 100000 woo Частота, Гц, •Фиг. 1.6. Предусмотренный военным стандартом уровень ограничения излучения магнитного поля на расстоянии 7 см от устройства, являющийся одновременно допустимым уровнем восприимчивости к магнитным полям. ),0 10 100 200 1000 Частота ,МГц Фиг. 1.7. Предусмотренный военным стандартом уровень ограничения излучения электрического поля на расстоянии 1 м от устройства. Проблема помех 23 шать значений, указанных на фиг. 1.6. По тесту RE02 напряжен- ность излучаемого широкополосного электрического поля на рас- стоянии 1 м от устройства не должна превышать значений, ука- занных на фиг. 1.7. Требования относительно чувствительности к излучаемому маг- нитному полю определяются тем (тест RS01), что в испытуемом образце не должны обнаруживаться какого-либо рода нарушения в работе, ухудшения параметров или отклонения от паспортных характеристик при воздействии на него магнитного поля с уровня- ми, указанными на фиг. 1.6. Требования относительно чувстви- тельности к излучаемому электрическому полю (тест RS03, при- мечание 4) заключаются в том, что в испытуемом образце не дол- жны обнаруживаться нарушения функционирования, ухудшения параметров или отклонения характеристик от паспортных значе- ний при воздействии на него электрических полей с интенсивно- стью, указанной в табл. 1.1. Таблица 1.1 Чувствительность к излучаемому электрическому полю Диапазон частот, МГц Уровень чувствительности, В/м 0,01—1,9 1 2—29,9 5 30—400 10 Другим видом испытаний, представляющим общий интерес» является импульсный тест (CS06) для определения чувствитель- ности по сети 'питания. При этом испытании на все незаземленные провода питания по постоянному или переменному току подается импульс напряжения длительностью 10 мкс. Амплитуда импульса должна вдвое превышать 'постоянное напряжение питания или сос- тавлять 100 В, если его значение при таком расчете получается меньше 100 В. Положительные и отрицательные, одиночные и пов- торяющиеся (6—10 раз в секунду) импульсы следует подавать на схему в течение интервала времени не менее 30 мин. Импульсы должны быть синхронизированы с периодами выборки сигналов с испытуемой схемы так, чтобы обнаружение помех было наиболее вероятным. При подаче импульсов не должно наблюдаться сбоев в работе схемы, ухудшения ее параметров или отклонения харак- теристик от паспортных значений. Аналогичное требование (по возможности с увеличением времени испытания) должно предъяв- ляться к большинству электронных 'приборов, поскольку для твер- дотельных схем всплески напряжения питания являются основной причиной помех и выхода их из строя. -24 Глава 1 Типичные пути проникновения шумов Из схемы на фиг. 1.8 видно, что проблема шумоподавления возникает при наличии трех необходимых элементов: во-первых, должен быть источник шумов; во-вторых, должна быть схема-при- емник, чувствительная к шумам; в-третьих, необходимо наличие •канала связи для передачи шумов от источника к приемнику. Источник шумов Канал связи Приемник •Фиг. 1.8. Схема, реализация которой приводит к возникновению проблемы подав- ления шумов. Cxew управления дВигателем Так шумов f\ Двигатель \ ) постоянного \~\ гпака Излучаемые шумы •Знран 'Фиг. 1.9. Воздействие шумов от электродвигателя на цепь с сигналами низкого уровня. При анализе проблемы шумов прежде всего следует опреде- лить, что является источником шумов, что служит их приемником .и каким образом источник и приемник связаны друг с другом. От- сюда вытекает, что возможны три способа устранения прохожде- ния шумов: 1) подавление шумов в источнике; 2) создание прием- ника, нечувствительного к шумам; 3) минимизация передачи шу- мов через канал связи. В некоторых случаях необходимо приме- нять два или даже все три указанных способа подавления шумов. Рассмотрим, например, схему, показанную на фиг. 1.9. В этой схеме экранированный двигатель постоянного тока соединен со схемой управления. Шумы от двигателя вызывают помехи в сла- Проблема помех 25. боточной схеме, расположенной в той же установке. Шумовые то- ки, возникающие на коллекторе двигателя, выходят за пределы экрана, проходя 'по проводам к схеме управления. Провода излу- чают шумы, наводя их на слаботочные цепи. •В этом примере источником шумов является искрение между щетками и коллектором двигателя. Канал связи состоит из двух частей: проводов, подведенных к двигателю, и излучения от этих проводов. Приемником служит слаботочная цепь. В данном случае с источником и приемником мало что можно сделать. Поэтому по- мехи должны быть подавлены в канале связи. Мож'но блокировать шумы, проходящие по проводам за пределы экрана, или подавить излучение проводов, а возможно, следует сделать и то и другое. Более подробно этот пример рассмотрен в гл. 5. Применение теории цепей Для точного ответа на вопрос о поведении любой электриче- ской цепи необходимо решить уравнения Максвелла. Эти уравне- няя являются функциями трех пространственных переменных (х, у, z) и времени (t). Решение их для любой, даже простейшей за- дачи обычно является очень сложным. Чтобы этого избежать, для большинства операций проектирования применяется приближен- ный метод анализа, называемый анализом электрических цепей. При этом анализе пространственные переменные исключаются и производится приближенное решение в виде функции только времени. Анализ электрических цепей основан на следующих до- пущениях: 1) все электрические поля сосредоточены в конденсаторах; 2) все магнитные поля сосредоточены в индуктивностях; 3) размеры схем малы по сравнению с длиной принимаемых во внимание волн. При этом фактически подразумевается, что внешними полями (хотя они в действительности и существуют) можно при анализе схемы пренебречь. Тем не менее при рассмотрении влияния этих внешних полей на другие схемы они должны учитываться. Например, мощный 100-ваттный усилитель излучает в простран- ство мощность 100 мВт. Этими 100 мВт мы полностью пренебре- гаем при анализе мощного усилителя. Однако, даже если малая часть этой излучаемой мощности попадает на вход чувствитель- ного усилителя, она может создать большой шумовой сигнал. Там, где это возможно, каналы проникновения шумов представ- ляют в виде эквивалентных цепей из элементов с сосредоточенны- ми параметрами. Например, переменное электрическое поле меж- ду двумя проводниками можно представить в виде включенного между ними конденсатора (фиг. 1.10). Переменное магнитное по- ле, связывающее два проводника, можно представить в виде взаимной индуктивности между двумя цепями (фиг. 1.11). Здемтричемве / пале Полнив • сопротивление /^~\ атнасительт (j ['~\^) зе/wu Фиг. 1.10. Представление связи двух цепей через электрическое поле в виде кон- денсатора. Проводник ^ с /лоном J, фиг. 1.11. Представление связи двух цепей через магнитное поле в виде взаимной индуктивности. Проблема помех 27 Для того чтобы такой подход был справедлив, физические раз- меры схем^ должны быть малы по сравнению с длинами волн сиг- налов, действующих в схеме. Это допущение делается на протя- жении всей книги, и обычно оно выполняется. Так, например, длина волны сигнала с частотой 1 МГц составляет около 300 м. Для сигнала 300 МГц она равна 1 м. Большинство электронных схем имеет меньшие размеры. Но, даже когда указанное выше допущение не совсем справед- ливо, представление в виде элементов с сосредоточенными пара- метрами все же 'полезно по следующим причинам: 1) решение уравнений Максвелла для большинства возникаю- щих на практике проблем подавления шумов нереально из-за сложных граничных условий; 2) хотя представление в виде элементов с сосредоточенными параметрами не обязательно дает точный количественный ответ, однако оно ясно показывает, как шумы зависят от параметров системы. Решение же уравнений Максвелла, даже если оно и воз- можно, не дает четкого представления об этой зависимости. Вообще говоря, за исключением некоторых случаев с особой геометрией, определение численных значений величин элементов эквивалентных цепей с сосредоточенными параметрами с любой степенью точности является очень трудным делом. Однако если можно сделать вывод о наличии таких элементов и о том, как их следует включить в схему, то это очень полезно само по себе, да- же если такие элементы представлены лишь качественно. Способы проникновения шумов Шумы, наводимые на провода Одним из наиболее очевидных, но часто упускаемых из виду путей проникновения шумов в схему являются провода. Проходя через «зашумленное» пространство, проводник получает шумовые наводки, а затем передает их другой схеме. Это вызывает поме- хи. Решение состоит в защите проводника от шумов ил'и в обеспе- чении развязки, благодаря которой шумы отводятся с проводника прежде, чем попадут в чувствительную схему. Основным примером такого вида связи являются шумы, про- никающие в схему по проводам сети. В случае, если разработчик не имеет возможности контролировать сеть или если к сети под- ключают и другую аппаратуру, возникает необходимость в развяз- ке проводов сети 'по шумам до их подсоединения к схеме. Связь через общее сопротивление Связь через общее сопротивление встречается там, где токи от Двух различных схем проходят через одно сопротивление. При этом падение напряжения, создаваемое каждой из схем на этом 28 Глава 1 сопротивлении, является для другой схемы помехой. Классический пример такого рода связи показан на фиг. 1.12. Оба возвратных тока (1 и 2) проходят на землю через общее сопротивление. Что касается схемы ./, то потенциал ее общей точки относительно зем- ли модулируется возвратным током 2, протекающим через общее ВозВратныи ток / Потенциал общей тачни цепи ? относительно земли —— Возвратный mnKt1 Потенциал общей точки цепи с' '~ ^относительно земли ОВщее сопротивление заземления Фиг. 1.12. Пример связи двух схем через общую шину заземления. i-1 + /г Ч Фиг. 1.13. Пример связи двух схем через общий источник питания. сопротивление шины земли. Поэтому от схемы 2 к схеме 1 через общее сопротивление поступает некоторый шумовой сигнал. Другим примером проблемы такого рода является представ- ленная на фиг. 1.13 схема разводки питания. Любое изменение то- ка, потребляемого схемой 2, будет изменять напряжение на за- жимах питания схемы / из-за наличия общих сопротивлений шин питания и внутреннего сопротивления источника питания. Поло- Проблема помех 29 жение можно несколько улучшить, подключив 'схему 2 ближе к выходным зажимам источника питания и уменьшив тем самым величину общего сопротивления шин питания. Однако связь через внутреннее сопротивление источника питания остается. Электрические и магнитные поля Еще один вид связи представляет собой излучение электриче- ского и магнитного 'полей. Все элементы схем, включая проводни- ки, при движении по ним электрических зарядов излучают элект- ромагнитные -поля. Кроме такого не предусмотренного разработ- кой излучения, существует 'проблема преднамеренного излучения от таких источников, как радиовещательные и радиолокационные станции. Когда приемник расположен вблизи источника (в ближ- нем поле), электрическое и магнитное поля рассматривают раз- дельно. Если же приемник находится далеко от источника (в даль- нем поле), излучение рассматривается как комбинация электриче- ского и магнитного полей, т. е. как электромагнитное излучение'). Второстепенные источники шумов Гальванический процесс При использовании в слаботочной сигнальной цепи разнород- ных металлов в результате образования из них гальванической па- ры могут возникать напряжения шумов. При наличии на стыке двух металлов загрязнений или водяных паров 'создается электро- химический элемент. Развиваемая им э. д. с. зависит от используе- мых металлов, т. е. от их расположения в гальваническом ряду, представленном в табл. 1.2. Чем дальше в этой таблице металлы отстоят друг от друга, тем больше будет развиваемое ими напря- жение. Если контакт образован одноименными металлами, раз- ность потенциалов между ними отсутствует. При использовании разнородных металлов, помимо возникнове- ния напряжения шумов, может существовать и проблема корро- зии. Гальваническая коррозия приводит к тому, что положитель- ные ионы одного металла переносятся в другой металл. Это по- степенно разрушает материал анода. Скорость коррозии зависит от степени загрязнения окружающей среды и от того, насколько далеко отстоят друг от друга металлы в гальваническом ряду. Чем дальше они расположены в этом ряду, тем быстрее происходит перенос ионов. Обычно, хотя и не обязательно, комбинацию метал- лов составляют медь и алюминий. При этом алюминий в конце концов разъедается. Однако, если медь покрыта оловянно-свинцо- " Объяснение того, что такое ближнее и дальнее поля, см. в гл. 6. 30 Глава I Таблица 1.2 Гальванический ряд Анодный конец (более подвержен коррозии) Группа I 1. Магний Группа II 2. Цинк 3. Сталь с гальваническим покрытием 4. Алюминий марки 2S 5. Кадмий 6. Алюминий марки 17ST Группа III 7. Сталь 8. Железо 9. Нержавеющая сталь 10. Оловянно-свинцовый припой 11. Свинец 12. Олово Группа IV 13. Никель 14. Латунь 15. Медь 16. Бронза 17. Медно-никелевый сплав 18. Монель 19. Серебряный припой 20. Никель пассивированный') 21. Нержавеющая сталь пассивированная^ Группа V 22. Серебро 23. Графит 24. Золото 25. Платина Катодный конец (менее подвержен коррозии) ') Пассивация погружением в раствор сильной кислоты. вым припоем, реакция замедляется, поскольку медь и оловянно- свинцовый припой расположены в гальваническом ряду ближе, чем медь и алюминий. Для гальванического процесса необходимо наличие четырех элементов: 1) материала анода (см. верхнюю часть табл. 1.2); 2) электролита (обычно в виде загрязнения); 3) материала катода (см. нижнюю часть табл. 1.2); 4) электропроводного соединения между анодом и катодом (обычно представляет собой цепь утечки). Гальванический процесс может иметь место даже в том слу- чае, если между анодом и катодом нет загрязнения. Все, что необ- ходимо для возникновения гальванического процесса, это некото- Проблема помех 31 рое количество грязи на поверхности соприкосновения двух ме- таллов (фиг. 1.14). Как показано в табл. 1.2, металлы в гальваническом ряду де- лятся на пять групп. При необходимости использования комбина- ции разнородных металлов желательно брать металлы из одной группы. «аррозия _ Загрязнение ~на поверхности Анод Катод \ Чистая \^ поверхности разИелц "' злен/продав Фиг. 1.14. Возникновение гальванического процесса при соединении двух разно- родных металлов и наличии на их поверхности загрязнения. Электролитический процесс Другой вид коррозии обусловлен электролитическим процес- сом. Он вызывается постоянным током, протекающим между двумя металлами при наличии между ними электролита (в качестве по- следнего может фигурировать грязь даже со слабыми кислотными свойствами). Коррозия такого типа не зависит от вида применяе- мых металлов и наблюдается даже между однородными метал- лами. Скорость коррозии зависит от величины тока и проводимо- сти электролита. Трибоэлектрический эффект В том случае, если диэлектрик внутри ка'беля не имеет кон- такта с проводниками кабеля, на нем может накапливаться, заряд. Это явление называется трибоэлектрическим эффектом. Обычно он вызывается механическим изгибом кабеля. Такой заряд дейст- вует как источник напряжения шумов, находящийся внутри кабе- ля. Трибоэлектрический эффект минимизируют, избегая резких пе- регибов кабеля и его перемещения. Выпускается специальный «малошумящий» ка'бель, в котором диэлектрик проходит специаль- ную химическую обработку, сводящую к минимуму возможность накопления на нем заряда. Перемещение проводника Если проводн.ик движется в магнитном лоле, на концах его возникает разность потенциалов. Паразитные магнитные поля, вызванные наличием больших токов в силовых цепях, а также в Глава 1 других схемах, имеются почти в любой точке окружающего прост- ранства. Данная 'проблема усугубляется при наличии вибрации. Решается она просто: перемещение проводников устраняется пу- тем закрепления кабелей скобами и другими приспособлениями. Методы устранения помех В последующих главах 'приводятся способы, при помощи кото- рых можно устранить или по крайней мере уменьшить взаимные помехи электронных схем. Ниже перечислены основные методы, применяемые для борьбы с помехами: 1) экранирование; 2) заземление; 3) балансировка; 4) фильтрация; 5) изоляция; 6) разнесение и ориентация; 7) регулировка величины полного сопротивления схемы; 8) выбор кабеля; 9) подавление (в частотной или временной области). В приложении 2, выполненном в виде контрольного листка, да- на сводка наиболее широко применяемых методов шумоподавле- ния. Однако даже при использовании всех этих методов следует помнить, что шумы обычно невозможно устранить полностью; их можно лишь уменьшить до такой степени, чтобы они не создава- ли помех. Даже для простейших случаев единого универсального средст- ва решения проблемы шумоподавления не существует. Обычно приходится идти на компромисс, и мнения о том, какое из многих альтернативных решений наилучшее, существенно расходятся. Ни- же будут рассмотрены методы, используемые для уменьшения по- мех. Однако то, какой из них следует применять в конкретном случае, должен определять разработчик системы. Выводы • Проектирование аппаратуры, не создающей шумов, столь же необходимо, как и проектирование помехозащищенной аппара- туры. • Подавлением шумов следует заниматься на возможно более ранней стадии проектирования. • Для возникновения помех необходимо наличие трех компонен- тов: источника шумов, канала связи и чувствительного приемника. • Имеются три основных способа передачи шумов: наводки по проводам, связь через общее сопротивление и связь путем электро- магнитного излучения. Глава 1 33 • При контакте металлов друг с другом в 'сигнальных цепях эти металлы должны быть гальванически совместимы. • Универсальный метод решения большинства проблем шумов существует далеко не всегда. Обычно имеются несколько способов борьбы с шумами. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Bell Laboratories, Physical Design of Electronic Systems, Vol. 2, Ch. 5 (Elec- trochemistry and Protection of Surfaces), Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N. J., 1970. 2. Cohen Т. J., McCoy L. G., RFI—A New Look at an Old Problem, QST (March 1975). 3. FCC Rules and Regulations, Vol. 2, US Government Printing Office, Washing- ton, D. C. 4. MIL-STD-461A, Electromagnetic Interference Characteristic Requirements for Equipment, August 1968. 5. MIL-STD-462, Electromagnetic Interference Characteristics, Measurement of, July 1967. 6. White D. R. J., Electromagnetic Interference and Compatibility, Vol. 1 (Electri- cal Noise and EMI Specifications), Don White Consultants, Germantown, Mary- land, 1971. (Русский перевод: Уайт Д. Электромагнитная совместимость радио- электронных средств и непреднамеренные помехи. Вып. 1. Общие вопросы ЭМС, межсистемные помехи/Сокр. перев. с англ. под ред. А. И. Сапгира. М.: Советское радио, 1975; вып. 2. Внутрисистемные помехи и методы их умеиьше- ния/Сокр. перев. с англ. под ред. А. И. Сапгира. М.: Советское радио, 1978.) 7. White D. R. J., Electromagnetic Interference and Compatibility, Vol. 2 (EMI Test Methods and Procedures), Don White Consultants, Germantown, Maryland, 1974. (Русский перевод: Уайт Д. Электромагнитная совместимость радиоэлек- тронных средств и непреднамеренные помехи. Вып. 3. Измерение электромаг- нитных полей и измерительная аппаратура/Сокр. перев. с англ. под ред. А. Д. Князева, М.: Советское радио, 1979.) 3-857 ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ Амплитудный фактор 228, 236 Анализ электрических цепей 25 Антенна петлевая 58 — штыревая 157 — щелевая 86 Волна плоская 158, 162, 169 Волновод 186 Вольтметр пиковый 237 — средних значений 236 Время отпускания реле 211 «Всплеск» индуктивного напряжения 201 Декремент затухания 120 Децибел 271 Диод шумовой 243 Длительность фронта импульса 127 Дребезг контактов 201, 212, 217 Дроссель симметрирующий 85 Заземление 66 — в одной точке 69—72, 73, 80 — высокочастотное 72, 92 — гибридное 93 — защитное 67, 70, 75 — комбинированное 93 — многоточечное 72 — низкочастотное 73 — экрана кабеля 40, 44, 51, 54, 56, 57, 80, 82 — — — высокочастотное 92 — — — низкочастотное 80, 92 — — усилителя 79 Запас помехоустойчивости 130 Защита контактов 194 — — в цепях емкостных нагрузок 199, 200 — — — — индуктивных нагрузок 201, 207, 212, 216 — — — — ламп накаливания 199 — — — — переменного тока 198, 212 нагрузок — — — — резистивных 217 электродвигателей 199, 200 Земля в силовой сети 68, 69 — корпусная 74, 75 — сигнальная 73, 75 — шумящая 73 Излучение электромагнитное 29, 35, 156 Измерение белого шума 236 — коэффициента шума 242 — шумов 236, 274 — Уш и /ш 248. Измеритель действующих значений 236 Индуктивность взаимная 41, 44 — внешняя 147 — проводника 69, 146 — собственная 46 — экрана 45 Интегральные микросхемы аналого- вые 264 — — цифровые 127 Искажения 18 Источник питания незаземленный 77 Источник шумов 24 — — внутренних 18, 222 Кабель коаксиальный 45, 53, 60, 83, 109 — «малошумящий» 31 — триаксиальный 61 Канал связи по шумам 24, 25 Ключ транзисторный 216 Кольца ферритовые 149 Конденсатор бумажный 136 — допустимое напряжение пульса- ций 135 — керамический 136 — майларовый 136 — неполярный 135 Предметный указатель 311 — полистирольный 137 — поляризованный 135 — проходной 125, 126, 139, 154 — развязки 114, 119, 128 — слюдяной 136 — частота собственного резонанса 133 — эквивалентная схема 134 — электролитический алюминиевый 134 — — танталовый 136 Контакты, долговечность 199 — дребезг 201, 212, 217 — материалы 198 — паспортные данные 199 — пробой 194 Контур заземления 55, 66, 75, 83, 87, 89, 92, 103, 112 Коррозия 29 Коэффициент интегрального шума 241 — корреляции 235, 245 — ослабления 'синфазного сигнала (КОСС) 109 — улучшения отношения сигнал/шум 253 — шума, вычисление 249 — — минимальный 250, 251, 261 — — многокаскадных схем 253 — — определение 239 — — полевого транзистора 263 — — спектральный 241 — — средний 241 — — транзистора 259 Логарифмы, свойства 271 Линия связи источника питания с нагрузкой 113 Модель с генераторами Urn и /ш 245, 248, 261, 264, 266 Модель шумов интегральной микро- схемы 266 — — полевого транзистора 261 — — резистора 224 — — транзистора 260 Мощность шумов на согласованной нагрузке 226 Мю-металл 179, 183 Яаводки при перемещении провод- ников 31 Напряжение дифференциальное 109 — дуговое минимальяое 197 — синфазное (продольное) 86 — шумов входное эквивалентное 244, 245, 247, 261, 264, 267 — — устройства 245, 247 Нормирование помех 19 Операционный усилитель, коэффи- циент шума 269 — — напряжение шумов суммар- ное входное 265, 267 — — шумы 264 Оптрон 89 Ориентация цепей 36, 43 Осциллограф 237 Отверстия в экране 185, 186, 188, 191 Отношение сигнал/шум 239 Отражение многократное 175, 281 Пара витая 43, 56, 57, 60, 83, 109 Пик-фактор 228, 236 Повторитель эмиттерный 122 Поле ближнее 29, 35, 156, 170 — высокоомное см. Поле электриче- ское — дальнее 29, 35, 156, 169 — излучения 156 — магнитное 158, 174, 177 — низкоомное см. Поле магнитное — электрическое 156, 173 — — в замкнутом контуре 42, 51 Полоса пропускания системы 126 — — шумов 229 Помеха, определение 18 Помехи перекрестные 89, 276 — электромагнитные 13 Постоянная Больцмана 222 Потери на отражение 161, 167 — — — магнитного поля 174 — — — плоских волн 169 — — — электрического поля 173 — — поглощение 161, 163, 179 Приборы измерительные с защитным экраном 99 Приемник шумов 24 Пример защитного экранирования 97 — избирательного экранирования 58 — использования в расчетах значе- ния шум-фактора 255 — подавления шумов дифференци- альным усилителем 78 — — — изоляцией источника сиг- налов 78 Предметный указатель 312 — подключения защитного экрана в измерительном приборе 102 — расчета волнового сопротивления шины разводки питания 117 — — коэффициента шума много- каскадной схемы 254 — — эквивалентной полосы шумов 229 — цепи защиты контактов 218 Принципы защиты контактов 203 Пробой между контактами 194 Проводимость удельная меди 161 — — относительная 163 Прокладка электромагнитной защи- ты 189 Проницаемость диэлектрическая 116, 161 — магнитная 146, 161, 163, 179 Процесс гальванический 29 — электролитический 31 Развязка логических схем 128, 129 — по питанию 112, 119 — усилителя 121 Разность потенциалов точек зазем- ления 54, 66, 77, 80, 87, 89, 92, 109, 112 Разряд в вакууме 195 — дуговой 195, 207, 214 — — в цепях постоянного и пере- менного тока 197, 198 — — энергия 198 — таунсендовский 194 — тлеющий 194, 197, 204, 214 Разъемы 103 Распределение гауссово (нормальное) 227, 233, 234 Резистор, номинальная мощность рассеяния 145 — переменный 145 Ряд гальванический 30 Связь емкостная 34—41, 54, 61, 107 — — через общее сопротивление 27, 62 — — — трансформатор 141 — индуктивная 35, 41, 44 — через магнитное поле см. Связь индуктивная Сетка вентиляционная 191 Симметрирование при помощи транс- форматоров 111, 112 Системы модуляции 126 Скин-слой 34, 163 Скин-эффект 61, 146 Сложение напряжений шумов 235 Совместимость электромагнитная 17 Сопротивление источника оптималь- ное 251 — полное характеристическое среды 162 — — экрана 162 — проводника переменному току 148 — — волновое 115, 116 — удельное 113 Стыки в экранах 185 Суммирование мощностей, выражен- ных в децибелах 277 Схема эквивалентная катушки ин- дуктивности 140 — — конденсатора 134 — — резистора 143 — — связи через магнитное поле 26> — — — — электрическое поле 26 Таблица амплитудного фактора шу- мов 228 • — 'внешней индуктивности и сопро- тивления медных проводников 147 — гальванического ряда 30 — глубины скин-слоя некоторых ма- териалов 164 — диэлектрической проницаемости различных веществ 115 — корректирующего коэффициента многократного отражения 282 — нормирования чувствительности к излучаемому электрическому полю 23 — определение суммы двух мощно- стей 278 — полного сопротивления углероди- стого резистора 144 — связи полосы на уровне —3 дБ с полосой пропускания шумов 232 — сравнения показаний различных измерителей шумов 276 — удельной проводимости и маг- нитной проницаемости различных материалов 163 — характеристик дугового разряда 197 — — приборов для измерения бе- лого шума 237 — — цифровых логических схем 130 — частот собственного резонанса ке- рамических конденсаторов 139 — экранирующих свойств сплошных экранов 192 Тангенс угла потерь в диэлектрике 133 Предметный указатель 113 Температура шумов 256 Теория цепей, применение 25, 34 Ток дифференциальный 85 — дуговой минимальный 197 — синфазный (продольный) 85 — экрана 53, 61, 62, 159, 185 Точка эквипотенциальная 66 Уравнения Максвелла 25, 27 Уровень отсчета напряжений 66 Усилитель дифференциальный 82, 89, 97, 106 — несимметричный 89, 97 — параметрический 223 — самовозбуждение 121, 122 — экранирование 79 Федеральная комиссия связи 19 Фильтр верхних частот 125 — индуктивно-емкостный 120 — развязывающий 119, 125 — рассеивающий 120 — реактивный 120 — резистивно-емкостный 120, 125 — резонансный 120 Фликер-шум см. Шумы вида 1// Функции весовые измерителей шу- мов 274 Функция плотности распределения вероятностей 228 Цепи защиты контактов варистор- ные 211 — — — диодные 211, 216, 218 — — — емкостные 207, 212 — — — резистивно-емкостные 211, 212, 218 — — — резистивно-емкостно-диод- ные 216, 218 — — — рекомендации по выбору — — — со стабилитронами 212 Цепь возвратного тока 51 — резонансная 207, 215 Частота среза волновода 187 — — экрана 47, 50, 54 Чувствительность к наводкам, нор- мирование 20 — — — определение 18 Шины распределения питания 117 Шум белый 227, 233, 241 — определение 18 Шумы активных элементов 239 — вида 1/у 233, 258, 260, 261, 264 — дробовые 143, 232, 243, 259 — джонсоновские 222 — избыточные 233 — импульсные 234 — контактные 143 — наводимые на провода 27 — низкочастотные 233 — операционного усилителя см. Опе- рационный усилитель — полевых транзисторов 261 — резистора 143, 222, 224 — тепловые 143, 222, 227, 259 Шум-фактор 241 Экран защитный 94 — из алюминиевой фольги 48, 62' — — магнитного материала 179 — листовой 156 — многослойный 181 — электростатический 141 Экранирование избирательное 58. — проводников 34 — усилителей 79 Электротехнические нормы и пра- вила 68 Элементы схем, индуктивности 139' — — конденсаторы 133 — — проводники 146 — — резисторы 143 — — трансформаторы 141 — — ферритовые кольца 149 Эффект трибоэлектризации 31 ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие редактора перевода .........••• 5 Предисловие .........••••••••• 7 Обозначения ...........••••••• 9 Глава 1. Проблема помех .............. 13 Проектирование с учетом электромагнитной совместимости ... 17 Определения ..........••••••• 18 Нормирование .......••••••••• 19 Типичные пути проникновения шумов .'........ 24 Применение теории цепей ........••••• 25 Способы проникновения шумов ........... 27 Шумы, наводимые на провода .......... 27 Связь через общее сопротивление ......... 27 Электрические и магнитные поля ......... 29 Второстепенные источники шумов .......... 29 Гальванический процесс ............ 29 Электролитический процесс ........... 31 Трибоэлектрический эффект ........... 31 Перемещение проводника ............ 31 Методы устранения помех ............ 32 Выводы ..............•••• 32 Список литературы ........••••••• °° .Глава 2. Экранирование проводников ........... 34 Емкостная связь ......•..•••••• 35 Влияние экрана на емкостную связь .......... 38 Индуктивная связь .......•...•••• 41 Магнитная связь между экраном и заключенным в него проводником 44 Экранирование для предотвращения излучения магнитных полей . . 48 Экранирование приемника от магнитных полей ....... 51 Экспериментальные данные ............ 54 Коэффициент экранирования ............ 58 Пример избирательного экранирования ......... 58 Сравнение коаксиального кабеля и экранированной витой пары . . 60 Экраны в виде оплетки ............. 62 Однородность тока в экране ............ 62 Выводы .........••••••••• 64 Список литературы ..........••••• "4 Глава 3. Заземление ..........••••• 66 Защитное заземление ..........•••• 67 Сигнальные земли ............••• 69 Система заземления в нескольких точках ........ 7^ _____________________Оглавление____ 315 Практические системы низкочастотного заземления ..... 73 Корпусные земли ............... 75 Выбор опорной земли схемы ............ 77 Экранирование усилителей ............. 79 Заземление экранов кабелей ............ 80 Изолирующие и нейтрализующие трансформаторы ...... 83 Оптроны .................. 89 Дифференциальные усилители ............ 89 Заземление экрана на высоких частотах ......... 92 Защитное экранирование ............. 94 Измерительные приборы с защитным экраном ....... 99 Кабели и разъемы ............... 103 Выводы .................. 104 Список литературы ............... 104 Глава 4. Другие методы шумоподавления ......... 106 Симметрирование ............... 106 Развязка по питанию .............. 112 Развязывающие фильтры ............. 119 Развязка усилителя .............. 121 Высокочастотная фильтрация ............ 125 Полоса пропускания системы ............ 126 Модуляция и кодирование ............ 126 Цифровые схемы ............... 127 Выводы .................. 130 Список литературы ............... 131 Глава 5. Пассивные элементы ............. 133 Конденсаторы ................ 133 Индуктивности ................ 139 Трансформаторы ............... 141 Резисторы ................. 143 Шумы в резисторах .............. 143 Проводники ................. 146 Ферритовые кольца ............... 149 Выводы .................. 154 Список литературы ............... 154 Глава 6. Эффективность экранов из тонколистовых металов .... 156 Ближние и дальние поля ............. 156 Эффективность экранирования ............ 159 Полные характеристическое и волновое сопротивления ..... 161 Потери на поглощение ............. 163 Потери на отражение .............. 167 Потери на отражение плоских волн .......... 169 Суммарные потери плоских волн на поглощение и отражение . . . 170 Потери на отражение в ближнем поле ......... 170 Потери на отражение электрического поля ........ 173 Суммарные потери на поглощение и отражение для электрического поля 174 Потери на отражение магнитного поля ......... 174 Многократное отражение в тонких экранах ........ 175 Суммарные потери на поглощение и отражение для магнитного поля 177 Сводка уравнений для экранирования ......... 179 Магнитный материал как экран ........... 179 Экспериментальные данные ............ 182 316__________________Оглавление______ Стыки и отверстия ............... 185 Волновод на частоте ниже частоты среза ........ 186 Круглые отверстия ............... 188 Проводящие прокладки ............. 189 Выводы .................. 191 Список литературы ............... 192 Глава 7. Защита контактов ............. 194 Тлеющий разряд ............... 194 Дуговой разряд ............... 195 Сравнение цепей переменного и постоянного тока ...... 197 Материал контактов .............. 198 Паспортные данные на контакты ........... 199 Нагрузки, создающие большие всплески тока ....... 199 Индуктивные нагрузки .............. 201 Принципы защиты контактов ............ 203 Подавление переходных процессов при индуктивных нагрузках . . 207 Цепи защиты контактов при индуктивных нагрузках . . . . . 212 Емкостная цепь .............. 212 -RC-цепь ................. 212 ^С-цепь с диодом ..'........... 216 Индуктивные нагрузки, управляемые транзисторным ключом . . . 216 Защита контактов при резистивной нагрузке . . . . . . . 217 Рекомендации по выбору цепей защиты контактов . . . . . . 218 Примеры .................. 218 Выводы .................. 220 Список литературы ............... 221 Глава 8. Внутренние источники шумов .......... 222 Тепловой шум ................ 222 Характеристики тепловых шумов ........... 227 Эквивалентная полоса пропускания шумов ........ 229 Дробовой шум ................ 232 Контактные шумы ............... 233 Импульсные шумы ............... 234 Сложение напряжений шумов ........... 235 Измерение случайных шумов ............ 236 Выводы .................. 238 Список литературы ............... 238 Глава 9. Шумы активных элементов ........... 239 Коэффициент шума .............. 239 Измерение коэффициента шума ........... 243 Определение отношения сигнал/шум и напряжения входных шумов по коэффициенту шума .............. 244 Модель с генераторами напряжения и тока шумов ...... 245 Измерение Um и /ш ............... 248 Вычисление коэффициента шума и отношения сигнал/шум по 1/ш и /ш 249 Оптимальное сопротивление источника ......... 251 Коэффициент шума многокаскадных схем ........ 253 Температура шумов .............. 256 Шумы биполярных транзисторов ........... 258 Коэффициент шума транзистора .......... 259 Urn и /ш для транзистора ........... 261 ____________________Оглавление_____________________317 Шумы полевых транзисторов с р—га-переходом ....... 262 Коэффициент шума полевого транзистора ....... 263 Urn и /ш полевого транзистора .......... 264 Шумы в интегральных операционных усилителях ...... 264 Параметры ОУ по шумам ........... 267 Коэффициент шума ОУ ............ 269 Выводы .................. 270 Список литературы ............... 270 Приложение 1. Децибелы .............. 271 Использование децибел для выражения отношений других величин, отличных от мощности ............ 271 Ослабление мощности, или отрицательное усиление по мощности 273 Абсолютный уровень мощности .......... 273 Измерение шумов .............. 274 Единицы для измерения перекрестных помех . . . . . . 276 Суммирование мощностей, выраженных в децибелах .... 277 Приложение 2. Краткие рекомендации по использованию технических при- емов шумоподавления . . ........ 279 Приложение 3. Многократное отражение магнитных полей в тонких экранах 281 Приложение 4. Задачи ............... 284 Приложение 5. Ответы к задачам . .......... 300 Предметный указатель ............... 310 г. Отт МЕТОДЫ ПОДАВЛЕНИЯ ШУМОВ И ПОМЕХ В ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ УВАЖАЕМЫЙ ЧИТАТЕЛЬ! Ваши замечания о содержании книги, ее оформлении, качестве перевода и другие просим присылать по адресу: 129820, Москва, И-110, ГСП, 1-й Рижский пер., д. 2, издательство «Мир». Научный редактор Л. А. Паршина Младший научный редактор М. В. Архипова Художник В. Я. Поздняков Художественный редактор Л. Е. Безрученков Технический редактор Л. Б. Бирюкова Корректор М. А. Смирнов ИБ № 1069 Сдано в набор 19.09.78. Подписано к печати 23.11.78. Формат 60Х90'/]». Бумага типографская № 2. Гарнитура литературная. Печать высокая. Объем 10 бум. л. Усл. печ. л. 20. Уч.-изд. л. 18,96 Изд. № 20/9572 Тираж 14000 экз. Зак. 857 Цена 1 р. 60 к. Издательство «Мир» Москва, 1-й Рижский пер., 2. Московская типография № 11 Союзполиграфпрома •ри Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. Москва, 113105, Нагатинская ул., д. 1. Тематические выпуски журнала «ТИИЭР» ^ Журнал «ТИИЭР» («Труды Института инженеров по электро- технике и радиоэлектронике») представляет собой ежемесячный пере- вод издаваемого в США журнала «Proceedings of the IEEE». (Нуме- рация томов и номеров в переводе совпадает с оригиналом). Журнал регулярно публикует тематические выпуски по отдельным проблемам науки и -техники. На 1979 г. намечены, в частности, следующие тема- тические выпуски: Вопросы преподавания инженерных дисциплин Пакетная передача информации Миниатюризованные фильтры Акустическое преобразование и создание изображений Распознавание образов Электромагнитные измерения в геофизике Техника и здравоохранение Источники энергии Более подробная информация о содержании ближайших номеров публикуется в журнале. Журнал включен в «Каталог газет и журна- лов зарубежных стран на 1979 г.» (раздел «Переводные научные и научно-технические журналы», индекс 91 365). Журнал поступает также в розничную продажу в Московский Дом книги (Москва, просп. Калинина, 26, фирменная секция изда- тельства «Мир»). Здесь можно оформить предварительный заказ на отдельные номера. У иногородних читателей предварительные заказы на отправку отдельных номеров наложенным платежом принимает редакция; заказы направлять на открытках (отдельно на каждый но- мер) по адресу: 129820, ГСП, Москва, И-110, 1-й Рижский пер., 2, изд-во «Мир», редакция ТИИЭР. Цена номера 2 р. 30 к. NOISE REDUCTION TECHNIQUES IN ELECTRONIC SYSTEMS Henry W. Ott MEMBER OF TECHNICAL STAFF BELL LABORATORIES A WILEY-INTERSCIENCE PUBLICATION JOHN WILEY & SONS NEW YORK • I ONDON . SYDNEY • TORONTO Г ОТ Т МЕТОДЫ ПОААВАЕНИЯ ШУМОВ И ПОМЕХ В ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕВОД С АНГЛИЙСКОГО Б. Н.БРОНИНА ПОД РЕДАКЦИЕЙ канд. техн. наук М. В. ГАЛЬПЕРИНА ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР» МОСКВА 1979 Приложение 5 ОТВЕТЫ К ЗАДАЧАМ Примечание: Для некоторых задач, помещенных в приложе- нии 4, существует несколько решений. Поэтому приведенные здесь решения не следует рассматривать как единственно возможные. 1.1. Источник шумов Канал связи Приемник Дуговой разряд в переключа- теле Излучение Термопара У1 У2 Излучение + проводимость У1 У2 Переходный ток нагрузки Излучение Термопара У1 У2 Общее сопротивление бата- реи + проводимость У1 У2 Общее полное сопротивление земли У1 У2 Излучение + проводимость У1 У2 Ток нагрузки в установившем- ся режиме Общее сопротивление земли У1 У2 Магнитное поле катушки ин- дуктивности Излучение Термопара У1 У2 Излучение + проводимость У1 У2 Ответы к задачам 301 2.1. а) 2,5 В; б) 314 мВ; в) 15.7 мВ. 2.2. а) 187 мВ; 6) 12,6 мВ; в) 628 мкВ. 2.3. Эквивалентная схема связи по шумам показана на фиг. П5.1,а. Для упрощения решения задачи примем, что 2Cia^> >Ci2. О / / га Сг, \К "шг Первоначальная схема добавлении конвенсатара — При энраниравке кабеля ! фиг. П5.1. Ответ к задаче 2.3. а) Кусочно-линейная аппроксимация зависимости Umz.lUan от частоты показана на фиг. П5.1,б (график /). б) Если добавить конденсаторы С, это будет эквивалентно уве- личению 2Ci3, что приведет к уменьшению связи по шумам, одна- ко частота точки перегиба41 при этом не изменится (график 2 на фиг. П5.1,б). *) Сопрягающая частота. — Прим. ред. 302 Приложение 5 в) Экранирование кабеля 1 уменьшает С\ч до Ciz. Это еще бо- лее уменьшает связь по шумам и увеличивает частоту точки пе- региба, что видно из графика 3. Другой эффект от экранирова- ния—увеличение емкости 2Cis, что еще сильнее уменьшает связь по шумам. 2.4. 376 мкВ. 2.5. Наводки от магнитного поля на участках платы, где пере- крещиваются провода, имеют противоположную полярность (фиг. П4.5,в); тем самым напряжения шумов компенсируются. 2.6. К — R31La лэ—— /СО+^э • Указание: из уравнения (2.17) M==Lg. 3.1. а) График показан на фиг. П5.2. б) Ь8%=5(^э+^э)/2я^. Частота Фиг. П5.2. Ответ к'задаче 3.1. 3.2. Добавление магнитного материала увеличивает индуктив- ность экрана и тем самым снижает частоту среза экрана. 3.3. Для магнитной связи справедлива эквивалентная схема, показанная на фиг. П5.3. U^=wBS cos в Фиг. П5.3. К ответу к задаче 3.3. а) ^/ш.вх=^ш^2/(^1+^2). б) Суммарное напряжение Um, наводимое на схему магнитным полем, не зависит от величины сопротивлений Ri и Rz- Однако Ответы к задачам 303. распределение этого напряжения между резисторами Ri и Ri яв- ляется функцией отношения их сопротивлений. 3.4. Управление двигателями — - - Сточка Си.етльныв земли /для цепей с сиеналапи низкого ураВня) \ \ i-___l____:_L__''J.___'''_|___J Шумящая —————•—————*—————•—————1 земля Г~~~—~с~———————————~~~i (Йля схем I Аналоговые усилители палых Еиеналое \ с большим патреИлениЕм мощности) ^._.^4-^-.--4J . ГЦтрРшНыЕ управляющие cxew/ с низким ~1, \ уровнем сигнала ! \ \ _- -^Дорожки —З^-ЗЕ^^--"^ ——————-—- -^ Источник питания\ \Источтт питомия \ \ wm усилителен и для двигателей *•—ч ^логических cw/ч и реле \ ^гЕЕ^ —— Внешняя зепля Фиг. П5.4. Ответ к задаче 3.4. 304 Приложение S 3.5. Показанная на фиг. П5.5 схема соединений имеет следую- щие особенности: входной экран заземлен на источнике; на выходном экране имеется только одна точка заземления; экран усилителя соединен с общим проводом усилителя; Экран источника Экран усилителя '•у////, А Фиг. П5.5. Ответ к задаче 3.5 выходной экран соединен с землей нагрузки; на выходном экране только одна точка заземления; защита от дифференциальных шумов земли обеспечивается большим входным сопротивлением усилителя. 3.6. а) выше 90,4 Гц; б) на 10,8 дБ на частоте 60 Гц, на 20 дБ на 180 Гц и на 24 дБ на 300 Гц. 3.7. ^BxSslOO МОм. 3.8. а) 6,85-Ю-9 В; б) 6,85-Ю-7 В. 3.9. а) максимум связи наблюдается между Li и Ьз, поскольку они расположены близко и параллельно друг другу; между входным и выходным проводниками имеется большая емкость; провод заземления — общий для входа и выхода; внешние обкладки (выводы с кольцевой маркировкой) конден- саторов Ci и Cz не заземлены (см. фиг. 5.4); паразитная емкость, шунтирующая Lz, увеличивается за счет того, что проводник, соединяющий Li с Ci, и проводник, соеди- няющий La с Cz, расположены близко к Li и параллельно ей; Ответы к задачам 305 длинный проводник, соединяющий Li с Ci, увеличивает индук- тивность, включенную последовательно с Ci, снижая тем самым частоту собственного резонанса контура LiCi. б) См. фиг. П5.6. BmS Земля Входной о- и.епи Земля , О- Выходной. ц,епи. Выход Фиг. П5.6. Ответ к задаче 3.9. 3.10. а) Из и та часть Ui, которая падает на Ri(U'i). б) Эквивалентная схема по Тевенину для цепи с зажимами / и 2 представлена на фиг. П5.7, а. Идеальным было бы подключе- ние защитного экрана к точке А, однако в реальной схеме эта точка отсутствует. Имеются, следовательно, два альтернативных решения: 1) подключение защитного экрана к точке В; 2) создание новой точки с тем же потенциалом, что и в точ- ке Л, с последующим подключением к этой точке защитного эк- рана (фиг. П5.7,б). (Такое решение представляется наилучшим.) /?5 и Re должны удовлетворять следующим соотношениям: R. 4.1. а) 34,5 мВ; б) 1,26 Ом. 5.1. а) ^=1,31 • Ю-4, fp=25 МГц. б) U^ 2/шС [(jw^LC/S + jwRCft + 1] в) Уш=43,8 мВ. г) На провод питания между проходными конденсаторами сле- дует надеть ферритовое кольцо типа 1. f Г__/ РЗ R^ \ГГ.ГГ" Pi г г Ri+Ri R^-\-Rt -±- R2+R^ ^-l R.+R, ~~ R,+R. ]u^ul== R.-^R. u^ 20—857 306 Приложение 5 \1--' __ /f „горячепу" Jdinw!/ вшлитнетра К „ холоднопу' Jawwy волй/пгк/туа I Точка подключения привада ^ , защитного \[ /?, чиппип 1s- " SHa пне/пра Фиг. П5.7. Ответ к задаче 3.10. д) При использовании кольца типа ./, действие которого на ча- стоте 25 МГц эквивалентно включению в цепь резистора 75 Ом, U^==0,\4 адВ. 5.2. 21,2 дБ. 5.3. Для d= 0,645 мм 5.4. а) /?== 1,72-Ю-3 Ом; б) ^i мгц =0,104 Ом. 6.1. Серебро: \Zy\ ==3,6-10-5 Ом. Латунь: |Za| =7,2. Ю-5 Ом. Нержавеющая сталь: \Za\ =5,8- Ю-3 Ом. Ответы к задачам 307 Частота, МГц /?-//?= 0,2 1,35 0,5 1,98 1 2,69 2 3,70 5 5,70 10 7,95 50 17,47 6.2. Частота, кГц Глубина скин-слоя,MM Потери на поглощение, дБ 0,1 12,90 1,1 1 4,06 3,3 10 1,27 10,6 100 0,51 33,4 6.3. При использовании неферромагнитного материала потре- буется экран толщиной 30,5 мм или более; это неприемлемо с практической точки зрения. При использовании стали экран должен иметь толщину 3 мм, что значительно лучше. Можно также использовать материал с высокой магнитной проницаемостью, например мю-металл; в этом случае потребуется толщина еще меньше, чем для экрана из стали. 6.4. а) 138дБ; б) 138 дБ1». 6.5. 24 дБ. 6.6. 133 дБ. 6.7. 134 дБ. 6.8. >313 МГц. *) Потери на отражение, как видно из выражения (6.236), не зависят от тол- щины экрана. — Прим. перев. 20* 308 Приложение S 6.9. Толщина, мм Потери на поглощение. ДБ 0,508 2,11 1,016 4,23 1,524 6,34 6.10. Стальные стенки обеспечивают хорошее поглощение. Луженое покрытие увеличивает потери на отражение. Многослойный экран (олово—сталь—олово). Паяные стыки. Плотно одевающаяся крышка (хороший контакт). 7.1. Параллельно нагрузке или контактам подключить цепь из последовательно соединенных резистора 270 Ом и конденсатора 0,1 мкФ. 7.2. Приближенные формы кривых показаны на фиг. П5.8. 8.1. а) 0,91-Ю-6 В; б) 1,01-Ю-6 В. 8.2.8.33-Ю-9 В/УПГ. 8.3. а) 179 мкВ; б) 179 мкВ. . 8.4. 1,1-Ю-7 В. 8.5. 10.10-9 В/УГЦ^ 9.2. У биполярного транзистора [/ш. у/УВ= 3,8 • 10-8 В/уТц; у ПТ Уш.у/УВ=7-Ю-8 В/уТц. Таким образом, у биполярного транзистора эквивалентный входной шум ниже, чем у ПТ. 9.3. 14,9 дБ. 9.4. а) ^ш=33,5 дБ; б) Лп.мин=4 дБ при ^г.опт=300 кОм. 9.5. а) Коэффициент трансформации равен 100; б) Рш= ==0,5 дБ; в) .Рш=27,9 дБ; г) ^ул.с/ш=556. 9.6. а) 5 мкВ. б) Присущая ЧМ-приему помехозащищенность позволяет работать при более низком отношении сигнал/шум, а линия передачи 75 Ом имеет меньшие тепловые шумы, чем си- стема 300 Ом. Кроме того, более узкая полоса пропускания при- водит к ограничению шумов, проникающих в систему. Ответы к задачам 309 Время Фиг. П5.8. Ответ к задаче 7.2. 9.7. ^п=3 дБ. 9.8. а) /(ш=1,11; ^г=26,5 кОм. б) Л'ш=1,25; ^=572 Ом. 9.9. 7^п=6 дБ. Приложение 4 ЗАДАЧИ Задача 1.1. В показанной на фиг. П4.1 схеме усилители У1 и У2 служат для усиления сигнала низкого уровня, поступающего с термопары. Мощная нагрузка, подключаемая периодически пе- реключателем Кл, питается от той же батареи, что и усилители. Для показанного на рисунке подключения схемы определите по- тенциальные источники шумов, каналы связи по шумам и приемни- ки шумов. Задача 2.1. Паразитная емкость между проводниками 7 и 2 со- ставляет 50 пФ (фиг. П4.2). Каждый проводник имеет емкость относительно земли 150 пФ. На проводник 1 поступает сигнал пе- ременного напряжения 10 В частотой 100 кГц. Какой величины напряжение шумов наводится на проводник 2, если подключен- ный к его концу резистор Rs: а) имеет бесконечное сопротивление? б) имеет сопротивление 1000 Ом? в) имеет сопротивление 50 Ом? Задача 2.2. На фиг. П4.3 проводник 2 заключен в заземлен- ный экран. Емкость между этим проводником и экраном составля- ет 100 пФ. Емкость между проводниками / и 2 равна 2 пФ, а меж- ду проводником 2 и землей — 5 пФ. На проводник / подается сиг- нал 10 В частотой 100 кГц. Какое напряжение шумов наводится на проводник 2, если с одного конца к нему подключен резистор ^н: а) с бесконечным сопротивлением? б) с сопротивлением 1000 Ом? в) с сопротивлением 50 Ом? Задача 2.3. В результате работы мощных транзисторных клю- чей в источниках питания переключательного типа между выход- ными зажимами источника питания и корпусом возникает напря- жение шумов (на фиг. П4.4 оно обозначено как t/nii). Это напря- жение может через емкостную связь попадать на расположенную рядом цепь 2; Сщ—эквивалентная емкость связи между корпусом и выходными зажимами источника питания. Фиг. П4.1. К задаче 1.1. Фиг. П4.2. К задаче 2.1. Фиг. П4.3. К задаче 2.2. Источник питания i -и- r" L S"J^,^—t— f--^ciJ —^———I—— '•/3= с,^Расположенная рядапЦЕПЬ L ' ^г• = С„ R Y Фиг. П4.4. К задаче 2.3. ® Задачи 287 а) Для указанной конфигурации схемы определите и изобра- зите графически отношение Umi/^mi в виде функции частоты (кон- денсаторы С, показанные штриховыми линиями, в расчет можно не принимать). Теперь, учитывая конденсаторы С, подключенные между зажи- мами источника питания и корпусами, укажите: б) как они влияют на связь по шумам? в) как следует экранировать провода питания, чтобы улучшить характеристику по шумам? Задача 2.4. Два проводника длиной по 10 см, отстоящие друг от друга на расстояние 1 см, образуют цепь. Эта цепь располо- жена в магнитном поле напряженностью 10 Гс, изменяющемся с частотой 60 Гц. Чему равно максимальное напряжение шумов, наводимое на цепь в результате воздействия на нее магнитного поля? Задача 2.5. На фиг. П4.5, а показана часть схемы малосигналь- ного транзисторного усилителя. Печатный монтаж этой схемы по- казан на фиг. П4.5, б. На схему воздействует сильное магнитное поле. В чем преимущество печатного монтажа, показанного на фиг. П4.5, в, перед печатным монтажом на фиг. П4.5,б? Задача 2.6. Выразите через сопротивление и индуктивность эк- рана для случая связи через магнитное поле степень экраниро- вания Кэ экранированной (коаксиальной) приемной цепи (экран заземлен с обоих концов). Задача 3.1. Экран на фиг. П4.6 характеризуется индуктивно- стью LQ и сопротивлением Rg. В приведенную схему введено так- же эквивалентное сопротивление шины земли Rs- а) Изобразите асимптотический график частотной зависимо- сти |/э/Л|. б) Выше какой частоты 98% тока /i будет возвращаться по экрану? Задача 3.2. Если на экранированный кабель надеть кольцо из магнитного материала, какое влияние это окажет на частоту сре- за экрана? Задача 3.3. Магнитное поле наводит на схему (фиг. П4.7) на- напряжение шумов. а) Чему равно напряжение шумов на входных зажимах уси- лителя, выраженное в виде функции /?i? б) Как вы объясните ответ на вопрос «а» в свете приведенного в тексте положения о том, что полное сопротивление цепи-прием- ника не влияет на величину наводок? Задачи 289 Задача 3.4. Спроектируйте схему заземления для накопителя на магнитной ленте, узлы которого имеют показанное на фиг. П4.8 пространственное расположение. !ход ттшшш?. Фиг. П4.6. К задаче 3.1. Фиг. П4.5. К задаче 2.5. Фиг. П4.7. К задаче 3.3. Задача 3.5. Определите, какая разводка заземления и кабелей оптимальна для схемы, приведенной на фиг. П4.9. Схема состоит из заземленного низкочастотного источника сигналов низкого уров- ня Л, дифференциального усилителя В и заземленной нагрузки С. Не применяйте каких-либо трансформаторов или защитных экра- нов. Источник Л и нагрузка С должны оставаться заземленными. Задача 3.6. Последовательно с линией передачи, соединяющей малосигнальный источник с нагрузкой 900 Ом, включен продоль- ный дроссель (нейтрализующий трансформатор). Каждый провод этой линии передачи имеет сопротивление 1 Ом. Каждая обмотка продольного дросселя имеет индуктивность 0,044 Г и сопротив- ление 4 Ом. а) Выше какой частоты дроссель не будет влиять заметным образом на передачу сигнала? б) Насколько дроссель ослабляет разностное напряжение шу- мов земли^ на дифференциальном входе на частотах 60, 180 и 300 Гц? ') Иначе говоря, продольную помеху. — Прим. ред. 19-857 Упрайление ВВигателями \Реле~\ \ \——Стопка. L_ ______-^1——————^ ПриИиГ двигателей L^»'!^^ '___________ д Дорожки l^^^ji}';"" |r[-J>^_>i> [_>_>_>_>_. Ци(рра8ые г———————————1 управляющие 1 . ____ ____ .____ | | \ new с -----Т \-\—\ Дарожки низкие \___| |___| |____| ! | / ЧраВнен .-——_———————_J | ,' сигнала ,____———_——_\- ИстаЧНИК \ |——————————I |———————————| \ | Иптпишт питания для I __ '4-SSH для усилителей ~~~ Т" ~" Т Г S^npi? и логических \ ' ——I I i | I ааигателеа схем Q i Г -fВнешняя зеппя Фиг. П4.8. К задаче 3.4. Экран источника Экран усилителя -2_ в Фиг. П4.9. К задаче 3.5. Задачи 291 Задача 3.7. Какое ограничение в показанной на фиг. П4.10 схе- ме должно налагаться на величину 7?вх с тем, чтобы на вход диф- ференциального усилителя поступало напряжение земли') величи- ной не более 0,1% напряжения сигнала t/г? Задача 3.8. В схеме фиг. П4.11 между источником и землей имеется паразитная емкость 200 пф. Чему равно напряжение шу- 777Z^ Фиг. П4.10. К задаче 3.7 мов на усилителе, если напряжение шумов между двумя точками заземления (Л и В) составляет: а) 100 мВ частотой 60 Гц? б) 100 мВ частотой 6000 Гц? Задача 3.9. На фиг. П4.12 показаны принципиальная (а) и монтажная (б) схемы фильтра нижних частот с высокой частотой среза. Индуктивности выполнены в виде катушек на цилиндриче- ских магнитных сердечниках, конденсаторы — трубчатые. а) Перечислите недостатки показанной на рисунке монтажной схемы. б) Предложите другую монтажную схему, где эти недостатки были бы устранены. Задача 3.10. Для измерения напряжения в мостовой цепи ис- пользуется цифровой вольтметр с защитным экраном (фиг. П4.13). а) Укажите источники синфазного напряжения2). б) Куда следует подключить защитный экран и почему? 1) Иначе говоря, поперечная помеха (дифференциальное напряжение шумов), вызванная продольной помехой (разностным напряжением земли).—Прим. ред. 2) Продольной помехи. — Прим. ред. 19* /Ом У кОм 70м -ст- ' =^= г^пФ ^^ Зеппя А Фиг. П4.11. К задаче 3,8. L, О——^ЯЯГ^- Земля В La •^W^ •^ЯЯГ1——о Вход : с ц Выход Je/чля о———— f J Выход о———— .Вход о———— i^ Ан Фиг. П4.12 К задаче 3.9. Задачи 293 Примечание: правильное решение этой задачи требует внима- тельных рассуждении и анализа. Вспомогательное указание: замените схему между точками / и 2 эквивалентной схемой Тевенина. Задача 4.1. Для передачи к нагрузке 10 А постоянного напря- жения питания 5 В используется шина (фиг. П4.14) длиной 5 м. а) Чему равно падение напряжения на шине подводки пита- ния? б) Чему равно полное характеристическое сопротивление ли- нии передачи? ЭкранироВанныи ц,и.{рраВой Вольтметр Фиг. П4.13. К задаче 3.10. МайлараВая ^ изоляция ^——_- толщ.иной 0,15 мм ''\. Медные ^> проводники толш,инои. 2,5 мм Фиг. П4.14. К задаче 4.1. Задача 5.1. Питание на двухкаскадную высокочастотную элект- ронную схему подается по проводнику диаметром d=0,813 мм и длиной / (/S>50 мм) через два проходных конденсатора (фиг. П4.15). Каскад 2 схемы работает на частоте 25 МГц, и каж- дый каскад во избежание взаимной связи заключен в экраниро- ванный отсек. В этой схеме индуктивность провода питания обра- зует с двумя проходными конденсаторами резонансную цепь, ко- торая может привести к образованию связи между двумя каска- дами. 294 Приложение 4 а) Чему равны резонансная частота и декремент затухания (демпфирования) этой LC-цепи? (Используйте данные по прово- дам, приведенные в табл. 5.3.) б) Представив источник шумов в виде эквивалентного источ- ника тока /ш(/й)> подключенного ко второму каскаду, как пока- зано на схеме, выведите выражение для соответствующего гене- »50мм 50,8 мм »50мм ——————^——————————————— ^ Гг^ ^.7 мм \ \ Провод виаметро/"! 0,813 мм'^ Проюдные конденсаторыпо гооо пФ- -.Заземленное шасси . 'У//////////'///////////////////////////'////////////// •'/\^/ '/ш т \. 1Питание ( каскада 2С р- Питание каскада ! ^ Фиг. П4.15. К задаче 5.1. Вход ИКо:ЭУЯ |7И § &SC?5 са- = Выход Фиг. П4.16. К задаче 5.2. ратора напряжения шумов С/ш(/'(й), подключенного к первому каскаду. в) Определите \Um\ для /ш=1 мА и f=25 МГц. г) Предложите способ уменьшения связи по шумам между каскадами 1 и 2 с использованием ферритавых колец с харак- теристиками, приведенными на фиг. 5.16. Рассмотрите кольца обо- их типов—1 и 2. Какое влияние оказывает кольцо на напряже- ние питания обоих каскадов? д) Определите \Um\ при тех же условиях, что и в пункте «в», но для предложенной вами улучшенной схемы. Задача 5.2. Какое ослабление на частоте 5 МГц дает фильтр, состоящий из двух ферритовых колец (типа 2 на фиг. 5.16) и конденсатора 0,01 мкФ, включенных, как показано на фиг. П4.16? Задача 5.3. Составьте таблицу отношения сопротивления, ока- зываемого медным проводником диаметром d==0,645 мм пёремен- Задачи 295 ному току, к его сопротивлению по постоянному току для следую- щих частот: 0,2; 0,5; 1; 2; 5; 10 и 50 МГц. Задача 5.4. Медный проводник имеет прямоугольное попереч- ное сечение 0,5х2 см. а) Вычислите сопротивление по постоянному току такого проводника длиной 10 м. б) Определите сопротивление 10 м такого проводника пере- менному току частотой 1 МГц. Задача 6.1. Чему равна величина полного характеристического сопротивления экранов из серебра, латуни и нержавеющей стали на 10 кГц? Задача 6.2. Определите глубину скин-слоя и потери на погло- щение в латунном экране толщиной 1,57 мм на следующих ча- стотах: 0,1; 1,0; 10 и 100 кГц. Задача 6.3. Учитывая только потери на поглощение, рассмотри- те вопрос о конструировании экрана, обеспечивающего ослабле- ние действия поля частотой 60 Гц на 30 дБ. Задача 6.4. а) Чему равны потери на отражение в медном эк- ране толщиной 0,0254 мм для электрического поля частотой 1000 Гц? б) Чему будут равны потери на отражение, если толщина эк- рана увеличится до 0,254 мм? Задача 6.5. Вычислите эффективность экранирования для мед- ного экрана толщиной 0,381 мм, расположенного на расстоянии 2,5 см от источника магнитного поля частотой 10 кГц? Задача 6.6. Чему равна эффективность экранирования для эк- рана, описанного в предыдущей задаче, если он находится в дальнем поле? Задача 6.7. Чему равна эффективность экранирования для эк- рана из алюминия толщиной 0,81 мм, отстоящего на 30 см от источника электрического поля частотой 10 кГц? Задача 6.8. Экран отстоит от источника электрического или магнитного поля на 15 см. Начиная с какой частоты, следует, при- менять уравнения дальнего поля? Задача 6.9. Вычислите потери на поглощение магнитного поля частотой 1 кГц тремя различными медными экранами толщиной 0,51, 1,02 и 1,52 мм. 296 Приложение 4 Задача 6.10. Перечислите все, какие только сможете, причины того, почему консервная банка должна быть хорошим экраном на средних и высоких частотах. Задача 7.1. Катушка реле, имеющая индуктивность 1 Г и со- противление 400 Ом, питается постоянным напряжением 30 В. Переключатель в цепи управления реле имеет платиновые кон- такты. Спроектируйте для этой схемы цепь защиты контактов. /«Ом »к0м 5'кОм Фиг. П4.17. К задаче 8.2. Задача 7.2. Для стабилитронной схемы защиты (фиг. 7.15,<Э) изобразите для моментов замыкания и последующего размыка- ния контактов три следующие кривые (предполагается, что кон- тактный пробой отсутствует): а) напряжение на нагрузке <7н; б) ток в нагрузке /н; в) напряжение на контактах t/ц. Задача 8.1. Вычислите напряжение шумов на резисторе 5000 Ом в системе с полосой пропускания 10 кГц при температу- ре 27 °С (300 К) и 100 °С (373 К). Задача 8.2. Вычислите напряжение тепловых шумов, отнесен- ных к корню квадратному из полосы пропускания, для схемы на фиг. П4.17 при комнатной температуре. Задача 8.3. Определите напряжение шумов на выходе усилите- ля в схеме на фиг. П4.18. Предполагается, что усилитель имеет частотную характеристику, эквивалентную: а) идеальному фильтру нижних частот с частотой среза 2 кГц; б) идеальному полосовому фильтру с частотами среза 99 и 101 кГц. Задача 8.4. Чему равно суммарное напряжение шумов на вы- ходных зажимах схемы фиг. П4.19? Учтите влияние дробовых и тепловых шумов в полосе пропускания 2,5 кГц. Диод работает в ограниченном диапазоне температур. Задачи 297 Задача 8.5. Определите напряжение шумов, отнесенное к кор- ню квадратному из полосы пропускания, падающее на зажимах А—Л цепи на фиг. П4.20 при комнатной температуре 'и частоте 1590 Гц. / кОм Усилитель Ввз шутВ, К =100 100 Ом Фиг. П4.18. К задаче. 8.3. -О 9,9 В 100 Ом -О w\ Фиг. П4.19. К задаче 8.4. -О А L'1 Г /f, = ?5 мЯм /?ц= 5 кОм -ОА Фиг. П4.20. К задаче 8.5. Задача 9.1. Выведите уравнение (9.3) из (9.1). Задача 9.2. В каком из указанных ниже транзисторов эквива- лентный шум, приведенный ко входу (t/ш.у/Уб), меньше: а) у биполярного транзистора с шум-фактором 10 дБ, изме- ренным при ^г=104 Ом, или б) у ПТ с шум-фактором 6 дБ, измеренным при Rr=W Ом? 298 Приложение 4 Задача 9.3. Транзистор имеет шум-фактор 3 дБ, измеренный при сопротивлении источника 1 МОм. Чему равно отношение сиг- нал/шум по мощности на выходе транзистора в схеме, где на транзистор подается входной сигнал 0,1 мВ от источника с сопро- тивлением 1 МОм? Предполагается, что система имеет эквивалент- ную полосу пропускания шумов 10 кГц. Задача 9.4. В спецификации на полевой транзистор приведены следующие шумовые характеристики: эквивалентное входное на- пряжение шумов составляет 0,06-Ю-6 В/уГц, а эквивалентный входной ток шумов равен 0,2- Ю-12 А/уГц. а) Если ПТ включен в схему с сопротивлением источника 100 Ом и эквивалентной полосой пропускания шумов 10 кГц, то чему равен шум-фактор схемы? б) Какое наименьшее значение шум-фактора и чему равно при этом Rr? Задача 9.5. Малошумящий предусилитель возбуждается от ис- точника с сопротивлением 10 Ом. В спецификации изготовителя указаны следующие данные для ?7ш и /ш на рабочих частотах: -=10-8 В/1/Гц, •=10-13 А/У Гц. а) Определите коэффициент трансформации входного транс- форматора, при котором характеристики по шумам оптимальны. б) Вычислите шум-фактор для схемы, в которой используется трансформатор с коэффициентом трансформации, определенным в пункте «а». в) Чему будет равен шум-фактор при непосредственном под- ключении предусилителя к источнику сопротивлением 10 Ом? г) Чему равен коэффициент улучшения отношения сигнал/шум Кул. с/ш для этой схемы? Задача 9.6. На фиг. П4.21 показана антенна, подключенная к приемнику отрезком согласованного коаксиального кабеля 75 Ом. Для качественного приема требуется, чтобы отношение сигнал/шум на входе приемника составляло 18 дБ. Шум-фактор приемника равен 8 дБ. а) Если кабель, соединяющий приемник с антенной, вносит за- тухание 6 дБ, то какой величины напряжение сигнала должно быть в точке подключения антенны к кабелю, чтобы обеспечить хорошее качество приема? Полоса пропускания приемника со- ставляет 50 кГц. Задачи 299 б) Почему это напряжение значительно меньше того, которое требуется в случае телевизионного приемника (см. пример 9.2)? Задача 9.7. Определите шум-фактор для системы при темпера- туре шумов Тэкв, равной 290 К. Задача 9.8 Транзистор работает на частоте f^fa и имеет сле- дующие параметры: г'=50 Ом, ро== 100. Вычислите, чему равны -—и--? 75~омньш коаксиальный наёем УКВ - приемник Фиг. П4.21. К задаче 9.6. минимальное значение коэффициента шумов и сопротивление ис- точника, при котором оно наблюдается, при токе коллектора 10 мкА и 1 мА. Примечание: /-э»26//к (мА)". Задача 9.9. Полевой транзистор с р—п-переходом имеет сле- дующие параметры, измеренные на частоте 100 МГц: gfs= = 1,5-Ю"3 0м-1 и ^11=0,8-Ю-3 0м-1. Если транзистор включить в схему с сопротивлением источника 1000 Ом, чему будет равен шум-фактор? Задача 9.10. Выведите уравнение (9.37). Для этого восполь- зуйтесь эквивалентной схемой на фиг. 9.4 и уравнением (9.1). Задача 9.11. Выведите уравнение (9.40), используя эквивалент- ную схему фиг. 9.4. *> г, при этом получается в омах. — Прим. ред.