цифровая электроника
вычислительная техника
встраиваемые системы

 
» » Использование развязывающего конденсатора для уменьшения шумов и гармонических искажений


Использование развязывающего конденсатора для уменьшения шумов и гармонических искажений

Автор: Mike(admin) от 3-03-2021, 03:55

Системный шум – распространенная проблема, с которой сегодня сталкиваются все цифровые устройства. Постоянная тенденция к более быстрым интерфейсам и более низкому энергопотреблению привела к тому, что устройства становятся все более восприимчивыми к помехам от силовых и сигнальных линий. Но с помехами и гармоническими искажениями можно бороться с помощью некоторых средств, к которым помимо прочего относится развязывающий конденсатор.


Использование развязывающего конденсатора для уменьшения шумов и гармонических искажений

Если говорить простыми словами, то развязывающий конденсатор используется для развязки или отделения одной части электрической цепи или сети от другой. Конденсатор шунтирует шум других элементов схемы, тем самым уменьшая его влияние на остальную цепь.


В этой статье мы увидим, что без надлежащей развязки с использованием конденсаторов мы не можем добиться максимальной линейности от высокоскоростного операционного усилителя. Кроме того, мы обсудим, что простая перестановка развязывающего конденсатора может повлиять на характеристики искажений высокоскоростного каскада усиления.


Силовые и заземляющие проводники печатной платы действительно обладают некоторой индуктивностью. Эта индуктивность может вызвать проблемы, если мы попытаемся обеспечить высокочастотные токи устройства напрямую через проводники питания и заземления. Напомним, что падение напряжения на катушке индуктивности пропорционально скорости изменения тока. Следовательно, на более высоких частотах на проводниках питания и заземления будет наблюдаться относительно большее падение напряжения, и мы не сможем обеспечить постоянное напряжение питания на микросхеме.


При использовании высокоскоростного операционного усилителя изменения напряжения питания будут зависеть от сигнала и, следовательно, характеристики линейности будут значительно ухудшены. Чтобы решить эту проблему, мы размещаем развязывающие конденсаторы рядом с выводами питания операционного усилителя. Выступая в качестве источника заряда, развязывающие конденсаторы создают высокочастотные токи и значительно снижают колебания напряжения питания. На следующем рисунке показана частотная составляющая на выходе операционного усилителя AD9631, управляющего нагрузкой 100 Ом.


Использование развязывающего конденсатора для уменьшения шумов и гармонических искажений

Как видите, при правильной развязке компоненты искажения резко уменьшаются.


Компоновка печатной платы является ключевым фактором при оптимизации характеристик искажения высокоскоростной платы. Рассмотрим примеры компоновки, показанные ниже, для каскада неинвертирующего усиления, в котором используется операционный усилитель в корпусе SOIC. В этих примерах все компоненты расположены на верхней стороне платы, и только байпасный конденсатор положительной шины (Cbypass1) находится на нижней стороне. Мы предполагаем, что на плате есть выделенная заземляющая плоскость, а переходные отверстия, представленные зелеными кружками, соединяют дорожку или контактную площадку с этой заземляющей пластиной.


Использование развязывающего конденсатора для уменьшения шумов и гармонических искажений

Как видите, две схемы абсолютно одинаковы, за исключением размещения байпасного конденсатора отрицательной шины (Cbypass2). В то время как схема слева размещает заземляющую сторону Cbypass2 рядом со входами операционного усилителя, схема справа пытается удерживать этот вывод близко к нагрузке и подальше от входов операционного усилителя. Компоновка на рисунке b позволяет добиться лучших характеристик искажения.


Чтобы понять, почему схема на рисунке b демонстрирует меньшие искажения, рассмотрим обратный ток, текущий через заземляющую пластину, когда сигнал, подаваемый на нагрузку, имеет отрицательную полярность, то есть Cbypass2 обеспечивает ток нагрузки. Когда полярность выходного сигнала отрицательная, ток, потребляемый от нагрузки, протекает через дорожку верхнего слоя и схему операционного усилителя, как показано синими стрелками на следующем рисунке.


Использование развязывающего конденсатора для уменьшения шумов и гармонических искажений

Мы знаем, что высокочастотный обратный ток течет прямо под дорожкой сигнала, чтобы минимизировать площадь контура. Следовательно, обратный ток схемы на этом рисунке а должен следовать по пути, аналогичному показанному красной линией. Тем не менее, важно отметить, что, хотя большая часть обратного тока течет непосредственно под сигнальной дорожкой, он все же может немного распространяться по заземляющей поверхности, как показано на следующем рисунке.


Использование развязывающего конденсатора для уменьшения шумов и гармонических искажений

Следовательно, при схеме на третьем рисунке а обратный ток может возмущать напряжение на входах операционного усилителя. Сигнал ошибки, поступающий на входы операционного усилителя, будет зависеть от сигнала и, следовательно, вызовет искажения на выходе операционного усилителя. Поскольку напряжение ошибки, зависящее от сигнала, появляется только при одной полярности выходного напряжения (отрицательной полярности), оно в основном увеличивает искажение второй гармоники. Какой путь обратного тока выберет на заземленной поверхности на рисунке b?


Опять же, путь непосредственно под дорожкой сигнала (под синими стрелками) будет иметь наименьшую возможную индуктивность. Однако в этом случае сторона заземления байпасного конденсатора находится очень близко к клемме заземления нагрузки. Следовательно, путь, показанный красной стрелкой на рисунке a, может иметь очень маленькое сопротивление по сравнению с путем с наименьшей индуктивностью. Фактически, обратный ток выберет путь с наименьшим импедансом (следует учитывать как индуктивность, так и сопротивление пути).


Чтобы определить точное распределение обратного тока, нам понадобятся инструменты моделирования; однако мы можем сделать вывод, что часть обратного тока будет течь вокруг красной стрелки, а относительно меньший ток будет течь под синими стрелками. При относительно меньшем токе, протекающем под дорожкой сигнала, можно ожидать, что под чувствительными узлами схемы (вокруг входов операционного усилителя) будет «более тихая» земля. Расположение заземленной стороны байпасных конденсаторов вдали от входов операционного усилителя является эффективным методом уменьшения гармонических искажений и обычно рекомендуется в различных технических документах от разных производителей микросхем.


Давайте рассмотрим еще один пример, в котором нагрузка расположена на расстоянии от выхода операционного усилителя, как показано на следующем рисунке.


Использование развязывающего конденсатора для уменьшения шумов и гармонических искажений

Опять же, мы должны держать заземленную сторону байпасного конденсатора подальше от входов операционного усилителя. Конденсатор следует размещать рядом с выводом источника питания операционного усилителя, а его клемма заземления должна находиться рядом с выходом операционного усилителя. Значительная часть обратного тока должна проходить по пути с низким сопротивлением, описанному выше, ведущему к пути обратного тока.


Итак, правильная развязка необходима для получения максимальной линейности от высокоскоростного операционного усилителя. Кроме того, заземляющая сторона байпасного конденсатора должна быть размещена рядом с выходом операционного усилителя и вдали от его входов, чтобы мы могли иметь «более тихую» землю под чувствительными узлами схемы.




© digitrode.ru


Теги: конденсатор




Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.

Комментарии:

Оставить комментарий