Интернет-журнал 'Домашняя лаборатория', 2007 №8 - Журнал «Домашняя лаборатория»

питания 5 В) на стороне передатчика. Различные отводы трансформатора, выпрямитель и схемы стабилизаторов обеспечивают комбинацию напряжений ±5, 15, 24 В или даже 30 В и выше. Если трансформатор управляется 5-вольтовой мостовой схемой с низким падением напряжения, то на всей вторичной обмотке размах напряжения будет составлять 37 В от пика до пика.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИФРОВЫХ ИЗОЛЯТОРОВ AD260/AD261

• Изоляция испытана на напряжение 3500 В (AD260B/AD261B)

• 5 изолированных цифровых линий в 6 конфигурациях входов/выходов

• Частота логического сигнала: 20 МГц макс

• Скорость передачи данных: 40 MBd макс

• Изолированный трансформатор питания: 37 в р-р, 1.5 Вт (AD260)

• Симметрия волны при передаче сигнала: ±1 не

• Задержка распространения: 14 нс

• Время нарастания/спада меньше 5 нс

Рис 10.30

Снижение шумов и фильтрация напряжения источника питания

Уолт Джанг, Уолт Кестер, Билл Честнат

Прецизионные аналоговые схемы обычно питаются от источника с хорошим линейным стабилизатором с низким уровнем шума. Однако за последние 10 лет в электронных схемах стали гораздо чаще использоваться импульсные источники (ИИП), и как следствие, они стали использоваться также для питания аналоговых схем. Причины их популярности — высокий КПД, малое повышение температуры, небольшой размер и вес.

Несмотря на эти преимущества, ИИП имеют отрицательные стороны, и самое главное — большой уровень помех на выходе. Эти помехи обычно занимают широкую полосу частот, проявляются в проводимых и излучаемых шумах, а также в нежелательных электрических и магнитных полях. Напряжение выходного шума ИИП представляет собой короткие импульсы или пики напряжения. Хотя значение частоты переключения лежит в пределах 20 кГц-1 МГц, выбросы могут содержать частотные компоненты, достигающие 100 МГц и выше. В спецификации на ИИП обычно указано значение среднеквадратичного напряжения шума, но как потребитель вы должны также знать амплитуду выбросов при определенной нагрузке, соответствующей вашей системе.

В данной главе рассматриваются приемы фильтрации постоянного напряжения со сравнительно небольшими потерями для доведения качества напряжения на выходе ИИП до уровня пригодного для аналоговых устройств, то есть достаточно "тихого" для прецизионных аналоговых схем. Рассмотренные схемные решения фильтров обычно подходят для всех типов источников питания, использующих импульсные элементы в тракте питания. Это относится и к различным преобразователям постоянного напряжения (DC-DC), и к распространенным источникам питания на напряжение 5 В (компьютерным).

Чтобы понять, как шум источника питания действует на аналоговые схемы и системы, необходимо понимание процессов электромагнитного взаимодействия. В каждом случае, связанном с помехами, имеется свой источник, путь и место воздействия (Приложение 1). В целом, существуют 3 метода борьбы с помехами. Во-первых, излучение источника может быть уменьшено с помощью надлежащей разводки, управления временем нарастания импульса, фильтрации и грамотного заземления. Во-вторых, пути проведения и излучения должны быть устранены посредством физического разделения и экранирования. В-третьих, помехоустойчивость объекта воздействия может быть улучшена благодаря фильтрации сигналов и напряжения питания, контролю уровня импеданса, балансу импеданса и использованию дифференциальных технологий для подавления нежелательных синфазных сигналов. Этот раздел посвящен уменьшению уровня шума питания посредством внешних дополнительных фильтров.

Средства, применяемые для борьбы с высокочастотными шумами ПИП, перечислены на рис. 10.31. Они различаются по электрическим характеристикам, а также по их эффективности по части уменьшения шума, и перечислены приблизительно в порядке предпочтения. Из этих средств катушки индуктивности и конденсаторы и являются наиболее действенными фильтрующими элементами, они наиболее выгодны по соотношению цена/эффективность, а также невелики по размеру.

СРЕДСТВА ПОНИЖЕНИЯ ШУМА ИМПУЛЬСНОГО СТАБИЛИЗАТОРА

• Конденсаторы

• Катушки индуктивности

• Дроссели с ферритовыми бусинами

• Резисторы

• Линейный пост-стабилизатор

• Надлежащее размещение и заземление

• Физическое разделение с чувствительными аналоговыми схемами

Рис 10.31

Конденсаторы, пожалуй, самые важные компоненты фильтра для ИИП. Существует много различных типов конденсаторов, и совершенно необходимо разбираться во всех их характеристиках для того, чтобы сконструировать на практике хороший фильтр питания. Существует три больших класса конденсаторов, используемых в фильтрах на частотах 10 кГц-100 МГц, различающихся по типу диэлектрика: электролитические, пленочные органические и керамические. Эти типы могут в свою очередь делиться на подклассы. Кратко основные характеристики конденсаторов приведен в таблице на рис. 10.32

Какой бы диэлектрик не применялся, основная составляющая потерь в конденсаторе выражается через эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), это — суммарное паразитное сопротивление конденсатора. ESR ограничивает эффективность фильтра и требует особого внимания, т. к. в некоторых типах конденсаторов ESR может изменяться в зависимости от частоты и температуры. Другая составляющая, понижающая качество конденсатора, — эквивалентная последовательная индуктивность (ESL). Индуктивностью ESL определяется частота, на которой полная характеристика импеданса конденсатора переходит от емкостной к индуктивной. Эта частота разная — от 10 кГц в некоторых электролитических конденсаторах до 100 МГц или даже больше в керамических конденсаторах для поверхностного монтажа (SMD). ESR и ESL минимизированы в безвыводных компонентах. Все упомянутые типы конденсаторов доступны в исполнении для поверхностного монтажа (SMD), которое предпочтительно для высокоскоростных устройств.

Конденсаторы из семейства электролитических являются прекрасным, эффективным по стоимости низкочастотным компонентом фильтра по причине широкого диапазона значений емкости, большого отношения емкости к объему и широкому диапазону рабочих напряжений. В семейство входит алюминиевый электролитический конденсатор общего применения, который работает при напряжении от 10 В до 500 В, и имеет емкость от 1 до несколько тысяч мкФ. Все конденсаторы этого типа полярные и не могут выдерживать без повреждения более 1 В обратного напряжения. Они также имеют относительно большие токи утечки (до десятков мкА, этот параметр сильно зависит от особенностей конструкции).

В семейство электролитов входят танталовые конденсаторы, обычно рассчитанные на напряжение 100 В и ниже, с емкостью до 500 мкФ (Приложение 3). Танталовые конденсаторы имеют большее значение отношения емкости к объему, чем электролитические конденсаторы общего назначения, и имеют более высокий диапазон частот и низкое значение ESR. Обычно они дороже, чем стандартные электролитические конденсаторы, и должны использоваться с осторожностью, с учетом скорости нарастания и пульсаций тока.

Алюминиевые электролитические конденсаторы имеют подвид импульсных конденсаторов, который разработан для работы с большим импульсным током на частотах до нескольких сотен кГц и имеют небольшие потери. (Приложение 4). Конденсаторы этого типа конкурируют с танталовыми в высокочастотных фильтрах, имея преимущество в виде более широкого диапазона емкостей.

Более специализированные алюминиевые высокоэффективные конденсаторы типа OS-CON содержат органический полупроводниковый электролит (Приложение 5). Такие конденсаторы имеют значительно более низкое значение ESR и более широкий диапазон частот, чем другие электролитические конденсаторы, и к тому же у них имеется свойство — не слишком снижается значение ESR при низких температурах.

Пленочные конденсаторы имеют очень широкий диапазон значений