Развязка по цепи заземления и паразитные контуры заземления

Внутри любой схемы существуют источники помех, которые создают серьезные проблемы при работе с малыми сигналами. Иногда схема, очень тщательно рассчи­танная на бумаге, при тестировании на стенде показывает достаточно хорошие рабочие характеристики, но при изготовлении на печатной плате эта же схема не удовлетворяет предъявленным требованиям по точности. Эта разница в поведении одной и той же схемы, но в разном исполнении (в виде макета и печатной платы) объясняется физическим расположением проводников. Обычно здесь играют роль

5 9 Шумы в датчиках и интерфейсных схемах 245

не проводники, соединяющие отдельные элементы схемы (конденсаторы, резис­торы, транзисторы, ОУ и тд ), а шины питания и заземления Эти две шины при­сутствуют практически во всех электронных схемах По обоим из них могут переда­ваться паразитные сигналы от одной части схемы в другую, по ним может осуще­ствиться связь между выходными и входными каскадами измерительных систем

Шина питания подает ток ко всем элементам схемы Шина заземления также участвует в передаче напряжений и токов питания, к тому же она часто использует­ся в качестве источника опорного потенциала для электрических сигналов Пере­сечения этих двух функций могут привести к возникновению паразитных контуров заземления На рис 5 54А показано, какие проблемы появляются при этом В схеме на этом рисунке сигнал датчика V_s поступает на положительный вход ОУ, который как правило, имеет высокий коэффициент усиления ОУ подключен к источнику питания и получает от него ток i, который возвращается на землю в виде обратного тока i' Провод заземления соединен со схемой в точке а, расположенной рядом с датчиком Хотя в схеме нет ви димых источников помех, выходной сигнал состоит не только из полезного сигнала V_out, но и из некоторой ошиб­ки Основная причина возникновения этой ошибки заключается в неправиль­ном подсоединении проводов заземле­ния На рис 5 54Б показано, что про­вод заземления является далеко неиде­альным, поскольку он обладает конеч­ными сопротивлением R_g и индуктивно­стью L_g В рассматриваемом примере об­ратный ток, возвращаясь к источнику питания после усилителя, проходит по шине заземления на участке ab, на кото­ром происходит падение напряжения V_g Это напряжение хотя и небольшое, но может быть сравнимо с сигналом дат­чика Следует отметить, что L_g и Л вклю­чены последовательно с датчиком, и, следовательно, напряжение V_g почти на­прямую поступает на вход усилителя Токи, текущие по шине заземления, мо­гут содержать высокочастотные (ВЧ) компоненты, в дополнение к этому ин­дуктивность шины также вызывает по­явление довольно сильных ВЧ наводок, которые не только добавляют помехи, но и могут привести к нестабильности схе­мы Для примера, рассмотрим датчик температуры, который вырабатывает

246 Глава 5. Интерфейсные электронные схемы

напряжение, соответствующее произве­дению его чувствительности (100 мкВ/ °С) на температуру объекта. Ток на вы­ходе малошумящего ОУ i в статическом режиме составляет 5 мА. Этот ток про­текает через паразитный контур зазем­ления, обладающий сопротивлением R_g =0.2 Ом. Падение напряжения на этом сопротивлении равно: V_g=iRg =1 мВ, что соответствует ошибке — 10° С! Выход из этой ситуации довольно прост: надо ра­зорвать петлю заземления. При разра­ботке схем шину опорного заземления всегда необходимо отделять от контуров заземления, по которым течет ток. Это особенно важно при проектировании цифровых схем. На рис. 5.55 показано, что перемещение точки присоединения к земле из точки а в точку с предотвращает формирование паразитного напряжения на проводе заземления, соединяющем дат­чик с резистором ОС R₂ Всегда необходимо помнить, что подсоединение шины заземления к плате следует осуществлять только в одной точке. Нарушение этого правила может привести к возникновению паразитных контуров заземления, ко­торые бывает очень сложно обнаружить.

5.9.9. Шум Зеебека

Этот вид помех возникает в результате эффекта Зеебека (раздел 3.9 главы 3), кото­рый заключается в том, что при соединении двух разных металлов появляется термо э.д.с Величина этой э.д.с. обычно очень мала и для многих типов датчи­ков может просто игнорироваться. Но когда требуется получить абсолютную точ­ность порядка 10... 100 мкВ, эти паразитные сигналы приходится учитывать. На эффекте Зеебека построены некоторые датчики температуры. Однако во всех ос­тальных применениях термически индуцированная э.д.с. является паразитным сигналом. В электронных схемах соединения разнородных металлов можно обна­ружить во многих местах: в разъемах, переключателях, контактах реле и т.д. На­пример, при соединении контактов некоторых микросхем с медными платами персональных компьютеров иногда возникает напряжение смещения порядка 40 мкВ × ΔГ, где А Г— перепад температур (в°С) между двумя контактирующими ме­таллами. Другим примером является использование припоя из свинца и олова для пайки медных выводов. Между припоем и медными элементами возникает термоэлектрическое напряжение 1...3 мкВ/° С. Для уменьшения этих паразитных сигналов до значений порядка 0.3 мкВ/°С применяются специальные припои из кадмия и олова. На рис. 5.56А показана зависимость э.д.с. Зеебека от температу­ры для двух типов припоев. Даже соединение двух идентичных проводов, изго­товленных разными производителями, может привести к появлению темпера­турной зависимости напряжения с наклоном порядка 200 нВ/°С.

Во многих случаях э д с Зеебека может быть значительно снижена при соответствующем монтаже схемы и вы­равнивании температур соединений Практические советы — делать мини­мальное количество соединений между датчиком и входными цепями интер­фейсной схемы, где только возможно из­бегать включения в схему разъемов, ме­ханических ключей и других потенци­альных источников термо э д с Но в не­которых случаях следовать этим советам не удается В таких случаях пытаются компенсировать термо э д с , возника­ющие в схеме, другими термо э д с , по­лучаемыми на специально введенных соединениях Для получения эффекта взаимного уничтожения термо э д с все соединения в схеме должны поддержи­ваться при одинаковой температуре На рис 5 56Б показано соединение удален­ного датчика к усилителю, где все места соединений поддерживаются хотя и при разных, но тщательно подобранных тем­пературах Такие термически сбаланси­рованные соединения должны быть близки по физическим свойствам и по возможности располагаться на общих

теплоотводах Необходимо также избегать воздействий воздушных потоков и перепа­дов температур на платы интерфейсных схем и корпусов датчиков

Поиск по сайту: