Контрольные вопросы

1. Какое свойство фильтра отражено в его названии?

2. На сколько может повысить стоимость аппаратуры применение фильтра?

3. Какое необходимое условие требуется для эффективного применения фильтра?

4. Какими критериями оценивается качество фильтра?

5. Какими характеристиками обладают баттервортовские фильтры?

6. Какими характеристиками обладают чебышевские фильтры?

7. Какую схему должен иметь фильтр при малых сопротивлениях источника и нагрузки?

8. Какую схему имеет фильтр при больших сопротивлениях источника и нагрузки?

9. Какие конструктивные особенности должен иметь фильтр с гарантированным затуханием 100 дБ.

Лекция 20

4.8. Принцип построения и расчет заземлений

В электронной аппаратуре заземление образует многофункциональную систему, несущую функции цепи опорного источника напряжения, образовывающую сигнальные и силовые цепи возврата, образовывающую опорные плоскости для антенн, экранирующую входные цепи и антенны от высокочастотных полей, защищающую людей и оборудование от неисправностей в цепях источников питания и грозовых разрядов, снимающую статические разряды и одновременно сводящую к минимуму нежелательные связи в сигнальных цепях, приводящие к возникновению помех.

Эта система прежде всего должна обладать малым сопротивлением, чтобы разность потенциала на нем была невелика по сравнению с амплитудой сигнала. Сигналы в современной электронной аппаратуре обладают широким спектром и для высокочастотных составляющих спектра становятся системой с распределенными параметрами. Например, сигнал распространяющийся по проводнику длиной  по отношению к подключаемым электродам может образовывать стоящие волны и в двух точках проводника, отстоящих друг от друга на расстояниях /4, 3/4, 5/4 ..., происходит как бы размыкание цепи (характеристическое сопротивление цепи равно z  [R² +L²]^1/2[1+tg(2/)], где R и L соответственно сопротивление и индуктивность участка проводника). Отсюда следует, что размеры сопротивления должны быть ограничены. Например, Дж. Барнс приводит следующие рекомендации: для военного оборудования, передатчиков, приемников, т.е. для наиболее чувствительных устройств максимальное расстояние между точками сопротивления не должно превышать 0,05, где  - длина волны наиболее высокочастотной спектральной составляющей сигнала.

Поскольку в одном контуре это выполнить не удается в современной аппаратуре обычно применяются три изолированные друг от друга цепи возврата для сигнальных токов, постоянных токов питания и переменных токов питания сходящихся в одной точке.

Это позволяет проектировать каждую цепь заземления отдельно. Цепи заземления схем распространения сигналов (сигнальная или схемная земля) в диапазоне частот до единиц гигагерц должны иметь малое сопротивление при малом токе.

Цепь заземления источников питания постоянного тока (силовая земля) при малом сопротивлении должна быть рассчитана на высокое значение тока, заземление же источников питания по сети переменного тока (корпусная земля) должна иметь малое сопротивление вблизи частоты 50 Гц и выдерживать ток в сотни ампер (R  100 мОм, L  100 мкГн).

Для схем, особо чувствительных схемная земля отделяется от корпусного заземления и образует т.н. плавающее заземление (рис. 20.1).

Такое заземление требует полной изоляции схемы от корпуса (высокого сопротивления и малой емкости). Обычно в этом случае используются автономные источники питания (солнечные элементы и батареи). Сигналы подводятся и выводятся с помощью трансформаторов или через оптроны). Иногда для снятия статического электричества сигнальную и корпусную землю соединяют высокоомным шунтирующим резистором.

Наиболее эффективным считается заземление в одной точке (рис.20.2).

Каждая схема и каждый экран имеют свой отвод к общей точке. Связь между схемами и цепями через общее сопротивление при этом исключается. Такое заземление может применяться при условии малости размеров до весьма высоких частот, но чувствительные аналоговые схемы могут воспринимать помехи в следствии индуктивной и емкостной связи.

Для цифровых схем с супервысоким быстродействием возможно использование многоточечной системы заземления (рис.19.3).

Идея такого заземления – соединение отдельных участков корпуса и отдельных схем многочисленными короткими ( < 0,1) перемычками для сведения к минимуму стоячих волн. Такая схема может применяться для высокочастотных и сверхбыстродействующих схем с близким уровнем помех.

Наряду с этими основными разновидностями могут использоваться модифицированные и комбинированные системы заземлений. Схемы с близким уровнем помех соединяются вместе, наиболее чувствительные схемы располагаются как можно ближе к общей точке. Цифровые и аналоговые схемы следует группировать отдельной в виду разного характера спектра обрабатываемых сигналов. Иногда используются схемы заземления, где вместо шунтирующих элементом могут быть использоваться индуктивности и емкости, что требует особого внимания, чтобы исключить резонансные явления. Часто стихийно образуется система заземления в виде гирлянды. Причем цепи с высоким уровнем помех объединяются в одну гирлянду, а чувствительные цепи в другую.

В гирлянде, где находятся цепи с высоким уровнем помех последовательность расположения такова: цепи с малым уровнем помех, цепи с более высоким уровнем помех, корпус. А в гирлянде в чувствительными схемами: чувствительные схемы, более чувствительные, корпус.

При заземлении чувствительных аналоговых схем необходимо тщательно контролировать токи по цепям заземления, особенно, если в качестве цепи возврата сигнала используется заземление источника питания постоянного тока.

Цифровые цепи должны иметь заземляющие цепи с малым сопротивлением на высоких частотах. Такому условию удовлетворяют передающие длинные линии. Скрученные пары и коаксиальные кабели обеспечивают каждому сигналу одну линию возврата, а в плоских кабелях каждый пятый или десятый проводник должен использоваться для возврата сигнала. Эти линии возврата необходимо заземлять вблизи передающих устройств и приемников.

Разнообразие различных комбинаций схем заземления требует выбора оптимального варианта в том или ином конкретном случае на основе прикидочной оценки уровня помехи. Например, в распространенной схеме возникновения помехи через общее сопротивление (рис. 20.5) общий участок

возвратного проводника, по которому текут токи цепи источника и цепи приемника создает в приемнике напряжение помехи величиной:

, (20.1)

для расчета которого необходимо знать значение сопротивления R_общ. Поскольку заземление может быть массивным или распределенным проводником с неравномерным распределением плотности тока по объему проводника, расчет R_общ становится нетривиальной задачей. Т.е. необходим расчет сопротивления проводника, который функционально не предназначен быть сопротивлением. В зависимости от диапазона частот спектра помехи методы расчета различны. На низких частотах расчет сводится к нахождению распределения электрического поля постоянного тока в проводящей среде. При этом плотность тока в объеме проводника удовлетворяет уравнению:

. (20.2)

Из закона Ома в дифференциальной форме

и из (20.2) вытекает уравнение для распределения потенциала

divgrad = 0, (20.3)

которое для частного случая однородного изотропного проводника ( = const) приводит к уравнению Лапласа:

² =0. (20.4)

В случае расчета поля в проводящей среде, образующей проводник заземления, окруженной изоляторами следует использовать смешанные граничные условия. Поверхности контактов заземления с проводниками схемы s_i считаются эквипотенциальными и значения потенциалов считаются заданными . На остальной части поверхности S заземления граничные условия вытекают из естественного требования равенства нулю нормальной составляющей плотности тока

, (20.5)

откуда для потенциала на участках поверхности, свободных от контактов вытекает следующее простое условие

. (20.6)

Для двухконтактного подключения, сопротивление заземления после нахождения сопротивления потенциала из уравнения (20.4) при заданных потенциалов контактов ₁, ₂ и граничных условиях (20.6) можно подсчитать следующим образом:

(₁ > ₂). (20.7)

В случае же схемы, приведенной на рис.20.5, рассчитываем сопротивление потенциала в четырехэлектродной системе обычно в пренебрежении шунтирующим действием сопротивлений цепи приемника помехи (R_гп + R_нп). Потенциалы ₁, ₄ считаются заданными на поверхностях контактов s₂, s₃ задаются граничные условия

,

а на остальной поверхности условие (19.6). после расчета сопротивления между точками 1, 4 по формуле (19.7)

,

рассчитывается напряжение U₁₂, пропорционально которому определяются разности потенциалов помехи U₂₃.

Для высокочастотных составляющих спектра помехи распределение тока из-за скин-эффекта становится поверхностным и сопротивление заземления увеличивается. Плотность тока определяется с помощью внешнего магнитного поля формулой:

, (20.9)

из которой определяется объемная плотность тока , где - толщина скин-слоя.