Контуры с общим проводом системы опорного потенциала

Емкостное влияние

Причиной емкостного влияния могут быть паразитные, т.е. неустранимые схемным путем, емкости между проводами или проводящими предметами, принадлежащими разным токовым контурам. Практический интерес представляют следующие случаи:

-влияющий и испытывающий влияние контуры гальванически разделены;

-оба контура имеют общий провод системы опорного потенциала;

-провода токового контура имеют большую емкость относительно земли.

Гальванически разделенные контуры

На рис. 3.12,а показана упрощенная модель емкостного влияния. Предполагается, что длина контура мала по сравнению с длиной волны самой высокой учитываемой частоты. Система проводников 1,2 принадлежит к влияющему контуру, а 3, 4 - контуру, испытывающему влияние. Соответствующие элементы и образуют полное сопротивление влияющего контура (рис. 3.12, б), а элементы и - полное сопротивление Z контура, испытывающего емкостное влияние.

Рис. 3.12. Емкостное влияние между гальванически разделенными контурами: а - модель влияния; б - схема замещения; в - модель влияния при экранировании обоих контуров; г - схема замещения при наличии экранов

Отсюда нетрудно заметить, что напряжение помехи U_st равно нулю, если соблюдается условие симметрии:

Это условие можно обеспечить попарным скручиванием проводников (провода 1 с проводом 2, провода 3 спроводом 4), а в некоторых случаях - включением симметрирующих конденсаторов.

Следующей возможностью снижения емкостного влияния в гальванически разделенных контурах является применение экранированных проводов (рис. 3.12, в) с экранами и из хорошо проводящего материала, которые, как правило, соединяются с одной стороны с проводом системы опорного потенциала какого-либо контура. Благодаря этому увеличивается емкость связи . В ненагруженном состоянии для контура, испытывающего влияние (рис. 3.12, г) можно записать:

Из этого уравнения следует, что экранирующее воздействие тем лучше, чем больше емкость С₃₄ проводника относительно экрана по сравнению с емкостями С₁₃ и С₂₄.

Контуры с общим проводом системы опорного потенциала

Такие контуры типичны для аналоговых и цифровых схем. В качестве примера на рис. 3.13, а приведена логическая схема, в которой может произойти непредусмотренное изменение состояния переключающего элемента при изменении сигнала на выходе элемента А из-за наличия паразитной емкости С₁₃.

На рис. 3.13, б приведена соответствующая схема замещения. Принимая R_s>> r_q, записываем напряжение помехи в операторной форме:

Рис. 3.13. Емкостное влияние контуров с общим проводом системы опорного потенциала 2, 4:

а - схема с элементами логики; б - схема замещения; 1,2 - влияющий контур; 3, 4 - контур, испытывающий влияние; С₁₃ - паразитная емкость связи

(3.11)

Решение этого уравнения имеет вид

. (3.12.)

В этих уравнениях представляет собой постоянную скорость линейно возрастающего выходного напряжения элемента А в интервале (рис.3.14, а).

Рис. 3.14. Выходной сигнал элемента А на рис. 3.13, а (а) и сигнал помехи u_st в интервале времени (б)

Изменение во времени напряжения помехи согласно (3.12) показано на рис. 3.14, б. Если постоянная времени максимально возможное напряжение помехи определяется по формуле:

. (3.13)

Емкость связи С₁₃, входящая в уравнения (3.11) - (3.13), определяется геометрическими размерами и топологией проводников. В простейшем случае проводники диаметром D и длиной , расположенные параллельно друг другу на расстоянии (рис. 3.15), имеют емкость связи

Реальные значения емкости С₁₃ составляют от 5 до 100 пФ/м.

Рис. 3.15. Параллельно проложенные цилиндрические проводки (а) и зависимость погонной индуктивности от отношения d/D (б)

Например, при С₁₃ = 100 пф/м, r_q = 50 Ом, l = 0,1 м и = 4 В/нc из (3.13) ориентировочное значение максимального напряжения помехи составляет примерно 2 В.

Мероприятия по снижению емкостного влияния контуров с общим проводом системы опорного потенциала следующие:

-обеспечение малой емкости связи С₁₃ из-за сокращения длины проводов l, уменьшения диаметра провода D, увеличения расстояния d между проводами 1 и 2, исключения параллельной их прокладки, применения изоляции проводов и печатных плат с малой диэлектрической проницаемостью;

-увеличение емкости С₃₄ путем размещения сигнальных продав между проводниками системы опорного потенциала (см. рис. 3.7), скрутки сигнальных проводов и проводов системы опорного потенциала, использования свободных жил кабеля в качестве проводников системы опорного потенциала, расположение плоских проводов системы опорного потенциала на минимальном расстоянии при монтаже (на печатных платах, в плоскиx соединительных жгутах), что также сказывается благоприятно и при снижении гальванических влияний;

-выполнение предельно низкоомными токовых контуров, подверженных влиянию;

-ограничение скорости изменения напряжения (в логических схемах скорость переключения должна быть не выше, чем требуемая для функционирования);

-экранирование проводов и контуров, чувствительных к влиянию (экраны S на рис. 3.16, а, провода и экранные дорожки S на печатных платах рис. 3.17, экранирующие пластины между печатными платами SW или отсеки SG для отдельных модулей (рис. 3.18), металлизация пластмассовых корпусов).

Под влиянием экрана существенно уменьшается емкость С₁₃, а емкость С₃₄ увеличивается, что в соответствии с (3.12) и (3.13) приводит при одной и той же скорости изменения напряжения кснижению напряжения помехи.

Рис. 3.16. Экранирование линии:

а - целесообразное соединение экрана S с системой опорного потенциала 2, 4; б - схема замещения; в - нецелесообразное соединение экрана с системой опорного потенциала; г - двустороннее соединение экрана с проводом опорного потенциала; А - источник помех ( ); r_q - выходное сопротивление источника помех; R_S - входное сопротивление ступени в экранированном контуре

Рис. 3.17. Экранирующие дорожки на печатных платах:

а - экранирующая дорожка S (схема замещения такая же, что и на рис. 3.16, б); б - короткозамкнутая дорожка - экран S с перемычкой В служит также защитой от индуктивного влияния

Рис. 3.18. Экранирование функциональных блоков печатных плат перегородками SW или функциональных модулей коробками SG:

2, 4 —пластина опорного потенциала

В любом случав экран S должен быть изготовлен из хорошо проводящего материала, чтобы на сопротивлении экрана R и его индуктивности L (рис. 3.16, б) не было заметного падения напряжения, накладывающегося на полезный сигнал в защищаемом корпусе. Экран в источнике питания должен быть соединен с проводом системы опорного потенциала (например, с проводом 2 и 4 на рис. 3.16, б). При соединении экрана с системой опорного потенциала у чувствительного к помехам элемента (рис. 3.16, в) ток вызывает падение напряжения помехи u_st на сопротивлении R и индуктивности L провода системы опорного потенциала, которое накладывается на входное напряжение защищаемого контура.

Двустороннее присоединение экрана к системе опорного потенциала (рис. 3.16, г) целесообразно тогда, когда экран предназначен для ослабления воздействующего магнитного поля. Впрочем, ток i_st в контуре, образованном экраном S и проводом системы опорного потенциала 2, 4, не должен создавать в проводе 2, 4 недопустимого напряжения помехи, попадающего в защищаемый контур.