Экранирование усилителей
Усилители с большим коэффициентом усиления часто помещают в металлические экраны для защиты от электрических полей. При этом возникает вопрос: как следует заземлять экран? На фиг. 3.15 показана паразитная емкость, имеющаяся между усилителем и экраном. Из эквивалентной схемы видно, что паразитные емкости Сзэ и C1э образуют цепь обратной связи с выхода на вход усилителя. Если обратную связь не устранить, усилитель может самовозбуждаться. Есть только одно подключение экрана, которое устраняет нежелательную обратную связь: подключение его к общему выводу усилителя (фиг. 3.15, в). Подключая экран к общему выводу усилителя, мы закорачиваем емкость С2э и исключаем тем самым обратную связь. Такое подключение экрана следует проводить даже в том случае, если общий провод усилителя не имеет потенциала Земли.
Фиг. 3.15. Возникновение паразитной емкости между усилителем и экраном.
а — физическое представление; б — эквивалентная схема; в — схема устранения паразитной обратной связи.
Заземление экранов кабелей
Экраны кабелей, применяемых для передачи низкочастотных сигналов, следует заземлять только в одной точке, когда сигнальная цепь имеет отдельную точку заземления. Если экран заземляется более чем в одной точке, в нем будет протекать ток шумов. В случае экранированной витой пары токи, протекающие в экране, могут по индукции наводить на сигнальные провода неравные напряжения и служить источником шумов. В случае коаксиального кабеля ток экрана создает напряжение шумов, равное падению напряжения IR на сопротивлении экрана, как это было показано на фиг. 2.20. Но если экран должен быть заземлен только в одной точке, то в какой именно? На фиг. 3.16, а показаны усилитель и входные сигнальные провода от незаземленного источника сигнала. Генератор U31 представляет собой потенциал общего зажима усилителя относительно потенциала Земли, а генератор U32 — разность потенциалов между двумя точками заземления.
Фиг. 3.16. Способы включения экрана при заземленном усилителе (лучшим является включение экрана по схеме С—экран соединен с общей точкой усилителя).
Так как экран имеет только одну точку заземления, емкость, существующая между входными проводниками и экраном, обусловливает связь по шумам. Входной экран может быть соединен с землей любым из четырех возможных способов, показанных штриховыми линиями А, В, С и D. Включение А обычно нежелательно, поскольку при этом ток шумов экрана получает возможность проходить по одному из сигнальных проводов. Этот ток шумов, протекая по импедансу сигнального провода, создает напряжение шумов, включенное последовательно с сигналом.
На фиг. 3.16,6 — г изображены эквивалентные схемы для случаев заземляющих соединений В, С и D. Любое постороннее напряжение
Фиг. 3.17. Способы включения экрана при заземленном источнике (наилучшей является схема включения экрана А — экран соединен с общей точкой источника сигналов; это включение можно использовать также с дифференциальным усилителем).
создаваемое на входных зажимах усилителя (точки 1 и 2), представляет собой напряжение шумов. При конфигурации заземления В напряжение, создаваемое на входных зажимах усилителя, возникает в результате работы генераторов U32 и U3l и емкостного делителя напряжения, образуемого С1 и С2. Это включение также является неудовлетворительным. При заземлении по схеме С напряжение U12 отсутствует независимо от величины напряжения генератора Uз1 или U32. В схеме D напряжение между входными зажимами усилителя определяется напряжением U31 и емкостным делителем напряжения С1 и С2. Только одно включение устраняет напряжение шумов U12 — это схема С. Для схемы с незаземленным источником и заземленным усилителем входной экран следует всегда подключать к общему зажиму усилителя, даже если эта точка не находится под потенциалом Земли.
На фиг. 3.17 отображен случай незаземленного усилителя и заземленного источника сигнала. Генератор U31 представляет собой потенциал общего зажима источника сигнала относительно фактического потенциала земли в месте расположения источника. На фиг. 3.17,а штриховыми линиями показаны четыре возможных подключения экрана входного кабеля, обозначенные буквами А, В, С и D. Подключение С явно нежелательно, так как оно позволяет токам шумов экрана при прохождении к земле протекать по одному из сигнальных проводников. На фиг. 3.17,6—г показаны эквивалентные схемы подключения экрана для случаев А, В a D. Как можно видеть, только схема А обеспечивает отсутствие напряжения шумов между входными зажимами усилителя. Таким образом, для случая заземленного источника и Незаземленного усилителя входной экран следует подключать к общему зажиму источника, даже если эта точка не находится под потенциалом Земли.
На фиг. 3.18 изображены схемы предпочтительного заземления экрана на низких частотах для экранированной витой пары и коаксиального кабеля. Схемы А—Г заземляются со стороны усилителя или источника сигнала, но не с обеих сторон.
Когда сигнальная цепь заземлена с обоих концов, величина возможного подавления шумов ограничивается разностью потенциалов в точках заземления и восприимчивостью контура заземления к магнитным полям. Предпочтительная конфигурация заземления экрана для этого случая показана на схемах Д и Е (фиг. 3.18). В схеме Е экран коаксиального кабеля заземляется с обеих сторон, с тем чтобы часть тока контура заземления прошла через экран с малым импедансом, а не через центральный проводник. В случае схемы Д экранированная витая пара также заземляется с обеих сторон, чтобы отвести часть тока, протекающего по контуру заземления, от сигнальных проводников. Если необходима дополнительная защита от шумов, требуется разорвать контур заземления. Это можно сделать с использованием трансформаторов, оптронов или дифференциального усилителя.
Сведения относительно характеристик, которые следует ожидать от схем на фиг. 3.18, можно получить, обратившись к результатам эксперимента по магнитной связи, представленным на фиг. 2.22 и 2.23.