Воздействия электрического характера

Конструктор получает электрическую схему и техническое задание, в котором указаны особенности работы разрабатываемого изделия, уровни полезных сигналов, допустимые уровни помех, предполагаемые источники и приемники наводок. При создании электрической схемы уже были решены задачи выбора элементной базы, частично решены вопросы унификации и стандартизации, определены электрические характеристики разрабатываемого изделия (вид входной и выходной информации, погрешность, энергоемкость и т. д.), проведена разбивка на блоки. Осталось соединить все элементы, как показано на схеме, и изделие должно работать.

Однако точно рассчитанная по всем параметрам (в том числе и на устойчивость) схема решительно отказывается работать. Появляются сбои и ложные срабатывания в цифровых устройствах, нестабильность усиления, частотных и фазовых характеристик (в аналоговых устройствах). Усилители превращаются в генераторы, а если генераторы и выдают требуемые сигналы, то их сигналы оказываются в таких точках схемы, в которых их присутствие нежелательно. При реализации устройства возникают паразитные связи, помехи.

Паразитная связь — это не предусмотренная электрической схемой и конструкцией связь между элементами устройства или устройством и внешней средой, приводящая к появлению помех. Помехи — электрические сигналы, не предусмотренные электрической схемой изделия. Помехи делят на шумы и наводки. Наводки — это помехи, возникающие вследствие появления паразитных связей. Шумы — это электрические сигналы, возникающие в электронных приборах независимо от наличия внешних связей и сигналов.

Паразитные связи являются следствием неидеальности реализации электрической схемы, поэтому значения наводок определяются конструкцией изделия (табл. 4.1). Шумы являются следствием неидеальности характеристик электронных приборов, резисторов и конденсаторов. Шумовые параметры приводятся в технических условиях на элементы. Уровень шумов слабо зависит от конструкции изделия. Шумы обусловлены статическими флуктуациями носителей зарядов в проводниках и электронных приборах.

4.1. Классификация паразитных связей в каналах передачи информации

В процессе теплового движения электронов в проводнике происходят случайные изменения их концентрации в разных областях проводника, в результате на концах проводника возникает разность потенциалов, значение которой беспорядочно флуктуирует. Значения ЭДС тепловых шумов на концах резистора определяются по формуле Найквиста:

,

где k = 1,374∙10^-23 — постоянная Больцмана, Дж/К;

Т— абсолютная температура резистора, К;

R — сопротивление, Ом;

Dw — полоса частот, в которой измеряется уровень шумов, 1/рад.

В пленочных и матричных резисторах типов МЛТ, С2-8, С2-23, С2-36, токопроводящий слой которых имеет зернистую структуру, возникают дополнительные шумы, обусловленные флуктуациями проводимости. При протекании тока сопротивление между отдельными зернами и пути токов между ними непрерывно изменяются. Шумовое напряжение пропорционально току:

,

где — токовые шумы, мкВ;

— коэффициент шума, мкВ/В;

— постоянное напряжение, приложенное к резистору, В;

— полоса рабочих частот, МГц;

— частота спада шумовых токов (~10 МГц).

В полупроводниковых приборах кроме тепловых шумов возникают дробовые и мерцательные шумы. Дробовые шумы, имеющие постоянную амплитуду во всей полосе частот, возникают вследствие неупорядоченной диффузии неосновных носителей, а также рекомбинации и генерации электронно-дырочных пар. Мерцательные шумы (шумы вида 1/f) возрастают с понижением частоты. Причины возникновения мерцательных шумов многочисленны и разнообразны, но в основе их возникновения лежат медленные флуктуации зарядов и их перераспределение по объему полупроводника. Значения тепловых, дробовых и мерцательных шумов полупроводниковых приборов определяются полосой рабочих частот и режимом работы, и зависят от конструкции устройства, в котором они применяются.

Составляющей шумов, зависящей от конструкции, являются термоЭДС, возникающие в точках соединения проводников из разных металлов. Источником шумов может быть плохой контакт. Для снижения уровня шумов этого вида необходимо уменьшать число контактных соединений и номенклатуру применяемых металлов.

Паразитные элементы — это не предусмотренные электрической схемой элементы, появившиеся в результате неидеальной практической реализации электрической схемы. Паразитные элементы возникают вследствие невозможности создания проводников и линий связи, не обладающих сопротивлением, индуктивностью и емкостью, и невозможности создания элементов схемы, обладающих только одним параметром: R, L и С.

Проводя расчет и вычерчивая электрическую схему, считаем, что:

элемент имеет только R,

элемент имеет только L,

элемент имеет только С,

а провод не имеет ни сопротивления, ни индуктивности, ни емкости и между двумя проводами на схеме нет никакой связи.

В реальной конструкции любой элемент обладает всеми тремя параметрами одновременно. Вопрос заключается в том, чтобы знать, когда можно пренебречь паразитными параметрами, а когда их необходимо учитывать. В реальной конструкции возникают паразитные связи, значения которых зависят от взаимного расположения и размеров элементов и линий связи (табл. 4.1). Любое электронное устройство содержит каналы для передачи сигналов. Канал связи — совокупность источника сигнала, линии связи и приемника сигнала. Это каналы связи между элементами одного узла или блока или между блоками устройства, или между различными устройствами. В устройствах линии связи разделяют на «короткие» и «длинные».