4.2 Вплив частоти на роботу активних компонентів
Активні компоненти у засобах вимірювальної техніки діють як джерела і приймачі завад, а також як ланки паразитних зв’язків. У більшості випадків сигнали, які створюються активними компонентами, мають різкі наростаючі та спадаючі фронти, що сприяє виникненню завад у смузі частот 10 - 300 МГц. Деякі активні компоненти можуть почати генерувати паразитні коливання на частотах 0,1 – 20 МГц, що пов’язано з наявністю паразитних ємностей між входом і виходом схеми. Ці паразитні ємності можуть також бути причиною взаємодії робочих сигналів, які вважаються ізольованими один від одного. Крім того, нелінійні компоненти можуть випростовувати високочастотні сигнали, генеруючи гармоніки та інші завади [16].
Найпростішими нелінійними активними компонентами є діоди і випростовувачі з одним p-n-переходом (рис. 4.10, а). При зворотному зміщенні діода p-n-перехід збіднюється носіями заряду, однак паразитна ємність може створити у компоненті високочастотні завади. Якщо тепер різко подати на діод пряму напругу зміщення (рис. 4.10, б), то його імпеданс на протязі кількох наносекунд буде залишатись високим і створить невеликий пік прямої напруги (рис. 4.10, в). Потім, якщо на діод знову різко подати напругу зворотного зміщення, почнеться розсмоктування заряду у області p-n-переходу і відновлення зворотного струму елемента. При цьому на протязі долей секунди діод працює у режимі короткого замикання, що викликає значний викид зворотного струму відновлення (рис. 4.10, г).
Рисунок 4.10 – Вплив накопичених зарядів на характеристики діода у відкритому і закритому станах
Наприклад, якщо через звичайний діод протікає струм 0,5 А, то при його вимкненні викид зворотного струму відновлення досягає 1,75 А і триває 40 мкс. Цього цілком достатньо, щоб викликати збій у роботі схеми, або й вивести з ладу її елементи.
Для зменшення таких викидів можна використати як випростовувачі високовольтні діоди, або імпульсні діоди з малим часом відновлення. Крім того, можна обмежити струм, що протікає через випростовувальний діод за допомогою резистора (рис. 4.11, а), зменшувати швидкість зміни струму застосувавши феритові кільця та котушки індуктивності (рис. 4.11, б, в), або гасити викиди високоякісними шунтуючими конденсаторами (рис. 4.11, г, д). У схемах з діодами Шотки використовуються R-C-поглиначі, що запобігають утворенню деренчання при вимкненні діодів. Схеми для гасіння викидів (рис. 4.11, а, в, д) також запобігають попаданню у схему зовнішніх завад, або відводять їх на землю, покращуючи цим ізоляцію між входом та виходом джерела живлення і зменшуючи завадочутливість схеми.
Рисунок 4.11 – Схеми для зменшення впливу перехідних процесів при ввімкненні та вимкненні діодів
Паразитна ємність стабілітронів знаходиться у межах 10 – 7000 пФ, що запобігає появі малотривалих викидів. Поблизу вигину вольт-амперної характеристики в зоні пробою, у більшості стабілітронів є ділянка негативного опору, у якій може генеруватись білий шум з амплітудою 1 – 1000 мкВ. Такий тип завад особливо помітний у сплавних стабілітронах. Для зменшення завад можна використати дифузійні стабілітрони, вибрати режим роботи подалі від вигину вольт-амперної характеристики в зоні пробою, або зашунтувати стабілітрон невеликим керамічним конденсатором.
Тиристори можуть генерувати сильні викиди напруги у ланках змінного струму внаслідок високої швидкості їх спрацювання і можливості перемикання значних струмів. Такий викид напруги на аноді, частина якого через внутрішню паразитну ємність подається на управляючий електрод, може призвести до несанкціонованого ввімкнення тиристора. Зменшити імовірність такого несанкціонованого спрацювання можуть спеціальні схеми,) які запускають тиристори при мінімальному струмі навантаження (рис. 4.12, а), а також згладжуючі R-C-ланки, що сприяють більш плавному зростанню струму на аноді (рис. 4.12, б).
Рисунок 4.12 – Схеми, що запобігають випадковому ввімкненню тиристорів
Усі вище наведені проблеми з завадами мають місце і у переходах база – емітер біполярних транзисторів. Крім того, паразитні ємності між базою, емітером і колектором можуть спричинити паразитну генерацію високочастотних транзисторів на частоті, що є у п’ять разів меншою за робочу. У загальному випадку, при створенні схем вимірювальних приладів рекомендується застосовувати транзистори з мінімально можливою швидкодією. До того ж, переходи база – емітер та база – колектор можуть випростовувати високочастотні завади, змінюючи напругу зміщення робочої точки транзистора. Це може змінити коефіцієнт підсилення транзистора, або відкрити транзистор, який вважається закритим.
Паразитна ємність може стати причиною паразитного зв’язку між витоком, затвором і стоком польових транзисторів, при чому у схемах з високим імпедансом рівень цих проникаючих завад може перевищувати рівень робочих сигналів. Паразитна ємність, крім того, може призвести до появи паразитних коливань у польовому транзисторі.
Для запобігання виникненню високочастотних паразитних коливань у біполярних транзисторах доцільно під’єднати між базою та емітером конденсатор ємністю 10 - 100 пФ (С1 та С2 на рис. 4.13, а, б). Аналогічні функції, але вже для польових транзисторів, будуть виконувати резистори з опором 100 Ом – 2 кОм, які послідовно приєднуються до затвору (рис. 4.13, в, г).
Іншим, досить ефективним методом боротьби з високочастотними паразитними коливаннями, який не вимагає змін у схемі пристрою, є застосування феритового кільця, що надягається на виводи бази чи затвору (рис. 4.13, д – з). При цьому підсилення транзистора на високих частотах зменшується, але низькочастотні характеристики залишаються незмінними.
Надлишковий рівень завад пов'язаний з дуже малими тривалостями наростання та спаду амплітуди сигналів при перемиканні біполярних та польових транзисторів. Генерацію завад можна послабити, якщо між колектором та емітером (витоком та втоком) помістити конденсатор з ємністю 47 нФ, який знизить швидкодію транзисторів.
Багато факторів впливає на виникнення завад у електровакуумних приладах. Вони можуть генерувати паразитні коливання, сприймати розсіяні електромагнітні поля і фон від вентиляторів і нагрівачів, які працюють на змінному струмі, у них можливе виникнення мікрофонних ефектів внаслідок ударів та вібрацій і струмів втрат між катодом, сіткою, анодом та іншими елементами, вони можуть генерувати потужні імпульси при різкому ввімкненні та вимкненні на повній потужності, а також при значних змінах навантажень.
Паразитна ємність зменшує швидкодію операційних підсилювачів і обмежує максимальну швидкість наростання вихідної напруги, а також може призвести до паразитної генерації, або повного насичення. Більшість ОП генерують коливання на частотах 0,5 – 4 МГц, якщо на їх виході ввімкнено реактивне навантаження.
Рисунок 4.13 – Схеми, для запобігання виникненню високочастотних паразитних коливань у транзисторах
Контрольні запитання до теми “Частотні властивості електронних компонентів засобів вимірювальної технік ”
Які з компонентів ЗВТ відносяться до активних, а які до пасивних?
Пояснити частотні властивості ідеальних пасивних компонентів.
Пояснити модель зосередженого імпедансу для реальних резисторів.
Пояснити модель зосередженого імпедансу для реальних конденсаторів.
Пояснити модель зосередженого імпедансу для реальних котушок індуктивності.
Пояснити модель зосередженого імпедансу для реальних трансформаторів.
Пояснити, чому існує відмінність у частотних характеристиках ідеальних і реальних компонентів ЗВТ?
Пояснити перехідні процеси, що протікають у реальних трансформаторах?
Коли відбувається перехід параметрів пасивного компоненту від зосереджених до розподілених?
Яким чином зміна частоти сигналу впливає на роботу пасивних компонентів?
Яким чином зміна частоти сигналу впливає на роботу активних компонентів?
Які з активних компонентів ЗВТ відносяться до нелінійних?
Пояснити роботу схем для зменшення впливу перехідних процесів при ввімкненні та вимкненні діодів.
Пояснити роботу схем, що запобігають випадковому ввімкненню тиристорів.
Пояснити способи нейтралізації впливу паразитної ємності у біполярних та польових транзисторах.
Пояснити роботу схем для запобігання виникненню високочастотних паразитних коливань у транзисторах різних типів.
Л Е К Ц І Я № 8
Т Е М А 5: Електромагнітна сумісність вузлів засобів вимірювальної техніки
Електромагнітна сумісність – це властивість ЗВТ і його частин функціонувати без погіршення якісних показників при заданій всередині ЗВТ електромагнітній обстановці.
Аналогові вузли ЗВТ (підсилювачі, компаратори, радіо передавальні та приймальні пристрої, пристрої керування виконавчими механізмами, аналого-цифрові та цифро-аналогові перетворювачі) мають значно ширші ніж цифрові вузли діапазони змін параметрів електромагнітних сигналів: амплітуди напруг (від 10-6 до 104 В), частоти (від 0 до 300 ГГц), потужності (від 10-14 Вт до сотень мегават), а також гірше відношення сигнал/завада. Це суттєво ускладнює забезпечення електромагнітної сумісності аналогових вузлів ЗВТ, яка повинна здійснюватись вже на етапі проектування, оскільки вартість робіт з забезпечення відповідності параметрів ЗВТ поставленим вимогам на цьому етапі набагато нижча за вартість робіт з забезпечення електромагнітної сумісності на етапі виробництва, або відлагодження апаратури.
Механізм створення і затухання сигналів та появи завад в аналогових вузлах ЗВТ такий же як і у цифрових вузлах.
Джерела завад знаходяться як поза вимірювальними приладами (зовнішні завади), так і всередині них (внутрішні завади). Зовнішні завади виникають від грозових розрядів, різних радіопередавальних пристроїв, колекторних двигунів, зварювальних апаратів, автомобілів тощо. Завади від мережі електроживлення виникають через нестабільність напруги і частоти. Поява імпульсних завад зумовлена перевантаженням у мережі і пусковими струмами при ввімкненні різного електричного обладнання. Внутрішні завади виникають через наявність паразитних зв'язків, що не передбачені конструкцією, і завад неузгодженості параметрів ліній передачі сигналів між вхідними і вихідними ланками електронних схем приладів.
У діапазонах НВЧ мають місце електрично довгі лінії зв’язку, а у діапазонах ВЧ, СЧ, НЧ лінії зв’язку можуть бути представлені як електрично короткі. У електрично коротких лініях найбільший негативний вплив мають паразитні зв’язки, характер яких залежить від відстані r між джерелами і приймачами завад. Коли ця відстань є меншою за п’ять довжин хвиль найвисокочастотнішої складової спектру сигналу, спостерігається перевага електричної (Е), або магнітної (Н) складової електромагнітного поля і, відповідно, ємнісного, або індуктивного паразитного зв’язку. Як правило, таке явище має місце на частотах від 0 до 3000 Гц.
Джерелами електричних завад у вузлах ЗВТ можуть бути шини розподілу енергії, блоки живлення, статичні потенціали, що виникають при терті. Джерелами магнітних завад є трансформатори і дроселі систем живлення. При наявності пульсації вихідної напруги, системи розподілу живлення можна розглядати як джерела електромагнітної енергії. Джерелами, що випромінюють енергію, є синхронізуючі схеми і ланки, що підводять високочастотні сигнали в усі вузли цифрової обчислювальної апаратури [1, 2].