Паразитная емкость cп. В общем случае определяется как

C_П=С_о l e

где C_о - паразитная емкость без учета материала основания печатной платы;

для варианта а:

C_о=e_о t/d

где e_о - диэлектрическая постоянная (8,85*10^-12 Ф/м); e - характеристика диэлектрических свойств промежутка между печатными проводниками

e = (e_подл+e_в)/2 = (e_подл + 1)/2

e_подл - диэлектрическая проницаемость материала основания печатной платы (e_подл = 4, для стеклотекстолита)

e_в - диэлектрическая проницаемость воздуха (e_в =1)

для варианта б:

Cо=e_о t/n

2. Паразитная взаимоиндуктивность

Паразитная взаимоиндуктивность рассматривается только для варианта а

Допустимые паразитные связи на печатных платах

Паразитные связи допустимы, если для цифровых печатных узлов не происходит:

• ложного срабатывания микросхем (микросхема D4 не переключается при переключении микросхемы D1);

• пропуска сигнала (т.е. микросхема D4 несмотря на действие помехи срабатывает при одновременном переключении D1 и D3)

Величина допустимой паразитной емкости:

U_{П доп} - допустимое напряжение помехи на входе микросхемы;

t_ф - длительность фронта импульса переключения микросхемы (чем меньше t_ф, тем хуже);

U_вых - перепад напряжения на выходе микросхемы при ее переключении;

R_вых - выходное сопротивление микросхемы.

Должно выполнятся следующее условие С_{П доп} > С_П . Если это условие не выполняется, то необходимо перейти на более высокий класс точности изготовления печатной платы.

Допустимая паразитная взаимоиндуктивность

Паразитная взаимоиндуктивность определяется как:

Допустимая паразитная взаимоиндуктивность определяется как:

t_з - время задержки сигнала микросхемы;

DI - ток протекающий по проводнику, при переключении микросхемы;

K - коэффициент запаса (К = 0,5-1).

Определение допустимой длины проводника печатной платы

Допустимая длина проводника печатной платы определяется с учетом требований по паразитной емкости и паразитной взаимоиндуктивности. Допустимая длина проводника с учетом паразитной емкости:

где

Допустимая длина проводника печатной платы:

Допустимая длина шины питания определяется по формуле.

Способы устранения помех

Аналоговые схемы

Большинство аналоговых схем оперирует слабыми сигналами, поэтому они наиболее чувствительны к помехам. При разработке аналоговых схем, предназначенных для работы в линейном режиме, необходимо предусмотреть минимальный коэффициент усиления и минимальную рабочую полосу частот. Если в аналоговой схеме возникнет помеха высокого уровня, она может изменить смещение рабочей точки и тем самым либо снизить чувствительность усилителей, либо вызвать их перегрузку. Усилители с высоким коэффициентом усиления генерируют паразитные колебания на частотах 10 кГц - 5 МГц, поэтому необходимо предусмотреть при проектировании цепей обратной связи подавление этих колебаний в наихудших условиях.

Методы подавления помех в аналоговых схемах:

• Шунтирование цепей питания;

Каждая шина питания должна иметь шунтирующий конденсатор (С1, С2) для предотвращения паразитных связей по шинам питания. В свою очередь, каждый операционный усилитель должен быть снабжен керамическими шунтирующими конденсаторами (С3, С4).

• При наличии на выходе аналоговой схемы нагрузки имеющей реактивный характер возможно возникновение паразитных колебаний. Подавить их можно включив последовательно с нагрузкой гасящий резистор R_Г, сопротивление которого должно быть:

• При наличии на выходе аналоговой схемы нагрузки имеющей емкостной характер возможно возникновение паразитных колебаний

В первом случае, для устранения паразитных колебаний в аналоговую схему добавляется резистор R4 и конденсатор С1. Величина резистора R4 должна быть больше, чем выходное сопротивление операционного усилителя, а величина конденсатора С1 определяется как:

Во втором случае, резистор обратной связи R3 шунтируется конденсатором, величина которого определяется как:

[пФ]

Цифровые схемы

Цифровые схемы могут как создавать помехи, так и принимать их извне. Изменение уровня цифрового сигнала всегда сопровождается появлением помех, частотный спектр которых колеблется от нуля до сотен мегагерц. При переключении уровня сигналов выходное напряжение изменяется с высокой скоростью du/dt, что приводит к перекрестным помехам и импульсам тока, текущего от источника питания через переключающий элемент к земле. Для предотвращения такого рода помех длина линий связи должна быть ограничена. Аналогично, помехи на входе должны находится в пределах помехоустойчивости схемы, поскольку в противном случае возможны сбои в работе.

Для уменьшения помех, возникающих в цифровых схемах, необходимо:

• Работать с сигналами, имеющими большие времена нарастания и спада и малую амплитуду;

• Оограничить число одновременно переключаемых сигналов;

• Применять эффективные методы шунтирования и заземления.

Для повышения устойчивости цифровых схем к внешним помехам следует:

• Применять медленные схемы синхронизации (типа триггера Шмитта);

• Если система имеет длинные кабели, использовать дифференциальные передающие и принимающие устройства.

Традиционные способы шунтирования в цифровых схемах

Тактирующие синхросигналы в цифровых схемах являются основной причиной излучаемых помех в диапазоне 30 МГц - 1 ГГц. Четные гармоники можно резко уменьшить если использовать синхросигналы с 50% коэффициентом заполнения (длительность синхросигналов приблизительно равна расстоянию между ними). Для уменьшения импульсов тока в шинах питания и заземления желательно разнесение тактирующих сигналов по фазе

Силовые устройства

Тиристоры

Тиристоры создают сильные помехи из-за быстрого включения и управления значительными нагрузками. Эти помехи можно ослабить, если включать приборы только при пересечениях нулевого уровня напряжения питания. Резкие выбросы напряжения на аноде тиристоров могут передаваться на управляющие электроды и вызывать ложные включения прибора. Для поглощения этих выбросов и предотвращения ложного срабатывания следует воспользоваться RC - цепочками (защита тиристора от du/dt). Сопротивление резистора R цепочки должно быть равно минимальному нагрузочному сопротивлению, а величина конденсатора C определяется как:

Транзисторы

В биполярных и полевых транзисторах возможна генерация колебаний обусловленная паразитной емкостью образуемой базой или затвором.

Для предотвращения паразитного самовозбуждения в биполярных транзисторах включают конденсатор емкостью 10 - 100 пФ между базой и эмиттером. Аналогичные функции в полевых транзисторах выполняет резистор сопротивлением 100 - 1000 Ом, последовательно соединенный с затвором.

Контактная аппаратура

1. Сильноточные контакты переключателей и реле

Контакты переключателей и реле представляют собой серьезный источник помех, возникающих при замыкании и размыкании. Самый высокий уровень помех генерируется контактами при коммутации нагрузки имеющей индуктивный характер. Основной причиной является дуговой разряд. Дуговой разряд возникает если:

• Скорость изменения напряжения на контактах превышает 1 В/мкс;

• Напряжение на контактах превышает напряжение дугового разряда U_ДУГ;

• Нагрузочный ток превышает номинальный ток дугового разряда I_ДУГ контактов.

Представлены варианты схем наиболее часто применяющиеся для предотвращения дуговых разрядов в контактах переключателей и реле. Первые две схемы применяются в том случае если ток в индуктивной нагрузке меньше I_ДУГ. Третья схема - для случая, когда ток в нагрузке превышает I_ДУГ. Величины конденсаторов определяются как:

[Ф]

2. Слаботочные контакты переключателей и реле

При замыкании и размыкании контактов имеет место «дребезг». У небольших реле дребезг обычно продолжается 10 - 60 мкс. Необходимо предпринимать специальные схемные решения для того, чтобы устранить влияние «дребезга» контактов на цифровые и аналоговые цепи. Обычно используют два способы устранения «дребезга» - RC цепь и триггер.

Двигатели

Двигатели постоянного тока создают сильные помехи, частота которых достигает 20 МГц. Уровень помех существенно зависит от состояния коллектора и щеток. Двигатели, у которых значительно выработан ресурс, генерируют более высокий уровень помех. Для подавления помех используют шунтирование конденсаторами.

Двигатели и генераторы переменного тока создают низкочастотные помехи. Четные гармоники можно практически устранить, создав механически и электрически симметричную конструкцию устройства. Соединение треугольником, а не звездой позволяет ослабить нечетные гармоники.