Вопрос 4. Паразитные связи и наводки.

 Элементы, цепи, тракты, соединительные провода и линии связи любых электронных систем и схем постоянно находятся под воздействи­ем собственных (внутренних) и сторонних (внешних) электромагнитных полей различного происхождения, индуцирующих или наводящих в них значительные напряжения. Такое воздействие называют электромаг­нитным влиянием или просто влиянием на элементы цепи. Коль скоро такое влияние образуется непредусмотренными связями, то говорят о паразитных (вредных) связях и наводках, которые также могут привести к образованию каналов утечки информации.

Основными видами паразитных связей в схемах электромагнитных устройств являются емкостные, индуктивные, электромагнитные, элек­тромеханические связи и связи через источники питания и заземления радиоэлектронных средств. Удобно рассмотреть паразитные связи и на­водки на примере широко распространенных усилительных схем раз­личного назначения.

Паразитные емкостные связи. Эти связи обусловлены элек­трической емкостью между элемен­тами, деталями и проводниками уси­лителей, несущих потенциал сигна­ла Так как сопротивление емко­сти, создающей паразитную емкост­ную связь, падает с ростом часто­ты (xс = 1/wС), проходящая через него энергия с повышением частоты увеличивается. Поэтому паразитная емкостная связь может привести к самовозбуждению на частотах пре­вышающих высшую рабочую часто­ту усилителя

Чем больше усиление сигнала между цепями и каскадами, имею­щими емкостную связь, тем меньшей емкости достаточно для его само­возбуждения. При усилении в 105 раз (100 дБ) для самовозбуждения усилителя звуковых частот иногда достаточно паразитной емкости ме­жду входной и выходной цепями Спс = 0,01 пФ (рис. 2).

Рис. 2. Схема транзисторного усилителя.

 

 

Паразитные индуктивные связи. Такие связи обусловлены наличием взаимоиндукции между проводниками и деталями усилите­ля, главным образом между его трансформаторами. Паразитная индук­тивная обратная связь между трансформаторами усилителя, например между входным и выходным трансформаторами, может вызвать само­возбуждение в области рабочих частот и на гармониках.

Для усилителей с малым входным напряжением очень опасна индуктивная связь входного транс­форматора с источниками переменных магнитных полей (трансформато­рами питания). При расположении такого источника в нескольких десят­ках сантиметров от входного трансформатора наводимая на вторичной обмотке трансформатора средних размеров ЭДС может достигнуть не­скольких милливольт, что в сотни раз превосходит допустимое значение. Значительно слабее паразитная индуктивная связь проявляется при то­роидальной конструкции входного трансформатора. Паразитная индук­тивная связь ослабляется при уменьшении размеров трансформаторов

Паразитные электромагнитные связи приводят к самовозбу­ждению отдельных каскадов звуковых и широкополосных усилителей на частотах порядка десятков и сотен мегагерц. Эти связи обычно возни­кают между выводными проводниками усилительных элементов, обра­зующими колебательную систему с распределенными параметрами на резонансной частоте определенного значения

Паразитные электромеханические связи проявляются в уст­ройствах, корпус усилителя подвер­гается вибрации (сотрясению).

Транзисторы почти не обладают микрофонным эффектом, поэто­му паразитная электромеханическая связь проявляется в основном в ламповых усилителях.

Обратная связь в устройствах звуковых частот. Обрат­ная связь представляет собой передачу сигналов из последующих це­пей в предыдущие те в направлении, обратном нормальному, напри­мер из выходной цепи усилительного элемента или усилителя в его входную цепь.

Для оценки обратной связи воспользуемся следующими понятиями k — коэффициент усиления усилителя без обратной связи, равный отно­шению его выходного Uвых напряжения к входному Uвх, и β — коэффи­циент передачи напряжения цепи обратной связи, равный отношению ее выходного напряжения UCB к выходному напряжению усилителя UВЫХ, являющемуся входным напряжением цепи обратной связи

Обратная связь может вызываться:

физическими свойствами и конструкцией усилительных элементов (такую обратную связь называют внутренней обратной связью);

паразитными индуктивными, емкостными и другими связями ме­жду входными и выходными цепями (такую обратную связь называют паразитной обратной связью).

Паразитные обратные связи не всегда поддаются расчету и могут существенно изменить свойства усилителей. Если напряжение обратной связи Uсв совпадает по фазе с входным напряжением Uвх и имеет с ним одинаковое направление, обратную связь называют положительной. При положительной обратной связи коэффициент усиления усилителя

Это уравнение показывает, что положительная обратная связь при βk < 1 увеличивает коэффициент усиления усилителя. Из него же вид­но, что при положительной обратной связи и βk = 1  kCB становится бес­конечно большим. В этом случае даже при отсутствии сигнала на входе усилителя ничтожно малые составляющие напряжения его собственных шумов усилятся до полной амплитуды выходного напряжения. Такое явление называют самовозбуждением усилителя. При положительной обратной связи и значении βk > 1 усилитель обычно самовозбуждается и переходит в режим паразитной генерации..

Самовозбуждение может возникнуть и в усилителе с отрицатель­ной обратной связью из-за того, что на частотах, где усилитель вме­сте с цепью обратной связи вносит сдвиг фазы 180°, отрицательная обратная связь превращается в положительную, и если на этих часто­тах значение βk ≥ 1, то усилитель самовозбуждается. Самовозбужде­ние усилителей обычно происходит на очень низких или очень высо­ких частотах, выходящих за пределы рабочей полосы частот. В этом случае акустические сигналы, поступающие на усилитель, модулируют частоту самовозбуждения и излучаются в эфир усилителем как обыч­ным радиопередатчиком.

В системах с обратной связью, используемых в качестве усилителя, термином устойчивость определяют наличие или отсутствие в системе собственных установившихся колебаний. В то время как система, не имеющая цепей обратной связи, всегда устойчива, введение обратной связи может оказаться причиной возникновения колебаний в системе.

Амплитудные и фазовые характеристики усилителя и цепи обрат­ной связи являются функциями частоты, и по этой причине обратная связь может быть положительной при одних частотах и отрицательной — при других. Следовательно, система, имеющая отрицательную обрат­ную связь в среднечастотном диапазоне, может оказаться системой с положительной обратной связью при частотах, удаленных от этого диа­пазона, и быть каналом утечки информации.

Паразитные обратные связи через источники питания. Обратные связи через источники питания в многокаскадном усилителе возникают вследствие того, что источник питания имеет внутренне со­противление. Так выходной ток сигнала IВЫХ усилителя, изображенного на рис. 3, проходя через источник питания ЕПИТ, создает на внутрен­нем сопротивлении z последнего падение напряжения U = IВЫХ z. Это напряжение, вместе с постоянной составляющей напряжения источника питания, подается на предыдущие каскады, а затем через элементы меж­каскадной связи попадает на входы усилительных элементов, создавая в усилителе паразитную обратную связь. В зависимости от фазы по отно­шению к сигналу это напряжение может увеличивать напряжение сигна­ла и при достаточной глубине может привести к его самовозбуждению.

Рис. 3. Паразитная обратная связь через источник питания.

 

Опасный сигнал может попасть в цепь электрического питания, со­здавая канал утечки информации. В линию электропитания высокая частота передается за счет паразитных емкостей трансформаторов бло­ков питания (рис. 4).

Рис. 4. Схема утечки информации по цепям питания:

В – выпрямитель; ВТ – входной трансформатор.

 

Утечка информации по цепям заземления. Заземление — это устройство, состоящее из заземлителей и проводников, соединяю­щих заземлители с электронными и электрическими установками, при­борами, машинами. Заземлителем называют проводник или группу про­водников, выполненных из проводящего материала и находящихся в не­посредственном соприкосновении с грунтом. Заземлители могут быть любой формы — в виде труб, стержня, полосы, листа, проволоки и т.п. Заземлители, в основном, выполняют защитную функцию и предназна­чаются для соединения с землей приборов защиты.

Отношение потенциала заземлителя U3 к стекающему с него току Iз называется сопротивлением заземлителя R3. Значение сопротивле­ния заземлителя зависит от удельного сопротивления грунта и площади соприкосновения заземлителей с землей (рис. 5).

Рис. 5. Эквивалентная схема заземления.

 

 

Взаимные влияния в линиях связи. С целью рассмотрения результатов влияния друг на друга параллельно проложенных линий связи приняты следующие основные определения (рис. 6):

Рис. 6. Сигналы в цепях от взаимных влияний.

 

влияющая цепь — цепь, создающая первичное влияющее электро­магнитное поле (цепь I);

цепь, подверженная влиянию — цепь, на которую воздействует вли­яющее электромагнитное поле (цепь II);

сигналы непосредственного влияния — сигналы, индуцированные непосред­ственно электромагнитным полем влияющей цепи в цепи, подвержен­ной влиянию.

Помимо сигналов непосредственного влияния имеют место косвенные влия­ния вторичными полями за счет отражения и другие.

В зависимости от структуры влияющего электромагнитного поля и конструкции цепи, подверженной влиянию, различают систематиче­ские и случайные влияния. К систематическим влияниям относятся взаимные наводки, возникающие по всей длине линии. К случайным относятся влияния, возникающие вследствие ряда случайных причин и неподдающихся точной оценке. Существуют реальные условия наво­док с одного неэкранированного провода на другой, параллельный ему провод той же длины, когда оба они расположены над «землей». В табл. 1 приведены примерные данные взаимного влияния различных типов линий и меры их защиты.

 

Таблица1. Влияния в цепях связи и стандартные меры защиты

 

Тип линии	Преобладающее влияние	Меры защиты
Воздушные линии связи	Систематическое влияние, возрастающее с увеличением часто- ты сигнала	Скрещивание цепей, оптимальное расположение цепей
Коаксиаль­ный кабель	Систематическое     влияние     че­рез третьи  цепи (с повышением частоты влияние убывает вслед­ствие поверхностного эффекта)	Экранирование   и   ограничение диапазона рабочих частот снизу
Симметрич­ный кабель	Систематическое     и    случайное влияния,  возрастающие с часто- той	Оптимизация шагов скрутки  и конструкций кабеля,  пространственное разделение цепей, экранирование
Оптический кабель	Систематическое и случайное влияния (от частоты сигнала практически не зависят)	Экранирование оптических  во­локон, пространственное разде­ление оптических волокон

 

 

Степень ослабления излучения кабеля в зависимости от расстояния и частоты излучения определяется по формуле

где d — расстояние от кабеля; λ — длина волны излучения.

В дальней зоне (начиная от расстояний больших 6λ от источника возмущения) электрическое поле принимает плоскую конфигурацию и распространяется в виде плоской волны, энергия которой делится по­ровну между электрической и магнитной компонентами.

Сильные магнитные поля, как правило, создаются цепями с низким волновым сопротивлением, большим током и малым перепадом напря­жений, а интенсивные электрические поля — цепями с большим сопро­тивлением, высоким напряжением и малым током. Для плоской волны в свободном пространстве волновое сопротивление

Для поля с преобладающей электрической компонентой волновое сопротивление существенно больше, а для преобладающего магнитного поля — существенно меньше значения волнового сопротивления для плоской волны.

Дальняя зона — это область пространства, в которой распростра­нение от источника существенно превышает длину волны (r>>λ). Гра­ницей раздела этих зон условно можно принять равенство расстояний от источника возмущения 1/6 длины волны, что составляет 0,5 м для частоты 100 МГц и 50 м для частоты 1 МГц.

Анализ физической природы многочисленных преобразователей и излучателей показывает, что:

источниками опасного сигнала являются элементы, узлы и провод­ники технических средств обеспечения производственной и трудовой де­ятельности, а также продукция радио- и электронного характера;

каждый источник опасного сигнала при определенных условиях мо­жет образовать технический канал утечки конфиденциальной инфор­мации,

каждая электронная система, содержащая в себе совокупность эле­ментов, узлов и проводников, обладает некоторым множеством источ­ников опасного сигнала и, естественно, некоторым множеством техни­ческих каналов утечки конфиденциальной информации.

Множество каналов утечки компьютерной ин­формации может быть определено следующими причинами и явле­ниями:

за счет магнитного поля электронных схем и устройств различно­го назначения и использования;

за счет электромагнитного излучения низкой и высокой частоты;

за счет возникновения паразитной генерации усилителей различ­ного назначения;

по цепям питания электронных систем;

по цепям заземления электронных систем;

за счет взаимного влияния проводов и линий связи;

за счет высокочастотного навязывания мощных радиоэлектронных средств и систем;

волоконно-оптическими системами связи.

Каждый из этих каналов в зависимости от конкретной реализации элементов, узлов и изделий будет иметь определенное проявление, спе­цифические характеристики и особенности образования в зависимости от условий расположения и исполнения.

Наличие и конкретные характеристики каждого источника образо­вания канала утечки информации изучаются, исследуются и определя­ются конкретно для каждого образца технических средств на специально оборудованных для этого испытательных стендах и в специальных ла­бораториях для последующего использования в конкретных условиях.

Хорев Анатолий Анатольевич, доктор технических наук, профессор, Московский государственный институт электронной техники (технический университет), г.Москва