دانلود مقاله روش های کاهش نویز در مدار های الکترونیکی

مقدمه

به جرئت می توان گفت که طراحی منطق یک مدار الکترونیکی تنها قسمت کوچکی از کل کاری است که برای تولید صنعتی آن مدار صورت می گیرد .

نکاتی از قبیل در نظر گرقتن اثر قطعات بکار رفته در مدار ، طراحی محافظ 1 برای قسمت مختلف مدار ، بکار بردن روش هایی برای کم کردن اثر نویز در مدارها ، طراحی مدار چاپی با رعایت استاندارد لازم (برای کاهش تداخل الکترو مغناطیسی) انتخاب نوع آی سی های به کار رفته در  مدار ، طراحی فیلتر برای قسمت های مختلف مدار ، وجز آن ، همه و همه از مسائلی هستند که در کارامد بودن مدار اثر سرنوشت سازی دارند . شاید به همین علت است که کمتر کسی پس از طراحی مدار روی کاغذ ، جرئت می کند اقدام به ساختن آن کند .

این مقاله به یکی از این مسائل یعنی کاهش اثر نویز در مدارهای الکترونیکی پرداخته است ، آن هم از دیدگاهی خاص یعنی عرضه روش های عملی برای این مقصود . برای بررسی دقیق تر ، گذراندن درس سازگاری الکترو مغناطیسی (EMC) توصیه می شود .

سیستم های الکترنیکی باید طوری طراحی و ساخته شوند که دو شرط زیر را داشته باشند .

1- خود منبع نویز نباشند . ( قسمت های دیجیتالی مدار ، فرستنده های رادیویی ، و کامپیوترها ، نمونه هایی از منابع نویز اند )

2- به نویز خارجی حساس نباشند .

به عبارت دیگر سیستم های الکترونیکی باید بتوانند در شرایط صنعتی به خوبی کار کنند و نویز سیتم های الکتریکی و الکترونیکی دیگر ( مانند لامپ های فلورسنت و نئون ، خطوط قدرت ، فرستنده ها ، وسایل الکترونیک دیجیتال و جز آن) روی آنها اثری نداشته باشد . از طرفی خود این سیستم ها باید طوری طراحی شوند که قسمتی از آنها روی قسمت های دیگر تداخل ایجاد نکند .

سازگاری الکترو مغناطیسی (EMC)

یک سیستم الکتریکی وقتی دارای سازگاری الکترو مغناطیسی است که بتواند در محیط الکترو مغناطیسی مورد نظر به خوبی کار کند و خود منبع نویز نباشد .

با توجه به اهمیت EMC  ، استاندردهای متفاوتی را مراجع ذیصلاح برای دستگاه های الکترونیکی وضع کرده اند . برای مثال  FCC 2 استانداردهایی را برای حداکثر تشعشع الکترو مغناطیسی وسایل الکترونیکی دارد و لازم است این استانداردها به دقت رعایت شوند و گرنه دستگاه های ساخته شده اجازه ندارند به بازار عرضه شوند . عوامل لازم برای تاثیر نویز عبارتند از : منبع نویز ، کانال کوپلاژ ، و گیرنده نویز .

نویز به روش های زیر به سیستم های الکترونیکی نفوذ می کند .

● کوپلاژ توسط میدان های الکتریکی و مغناطیسی ( و الکترو مغناطیسی ) مانند تشعشع الکترو مغناطیسی .

● کوپلاژ هدایتی مانند انتقال نویز از طریق خط تغذیه مشترک .

روش های مختلفی برای کاهش اثر نویز در مدارهای الکتریکی وجود دارد . در این مقاله تعدادی از این روش ها را به اجمال بررسی می کنیم و تحقیق بیشتر و دقیق تر را به خواننده وامی گذاریم .

1 زمین کردن صحیح

همانطور که می دانید کابل های استاندارد تغذیه سه سیم دارند : فاز ، نول ، و سیم زمین . سیم زمین معمولاً به   (( چاه زمین )) ساختمان متصل می شود و در پتانسیل زمین قرار دارد . معمولاً بدنه دستگاه های الکتریکی به سیم متصل می شوند تا از حوادثی مانند برق گرفتگی جلوگیری شود .

برخی از نکات مهمی که در طراحی زمین سیستم های الکترونیکی وجود دارد در ادامه بیان می شود .

11 کاهش امپدانی مشترک

هنگام طراحی مدار ، می توان به دو صورت قسمت های مختلف را به زمین متصل کرد .

در نگاه اول ممکن است تفاوتی بین این دو روش مشاهده نشود اما از آنجایی که هادی های به کار رفته برای اتصال زمین ، هادی کامل نیستند ، امپدانسی بین هر قسمت مدار و زمین وجود دارد . می توان دید که در اتصال سری زمین ، یک امپدانس مشترک بین گروه های زمین مدار وجود دارد . بنابراین تغیرات سریع جریان تغذیه در مدارهای 1 و 2 باعث تغییر پتانسیل زمین مدار 3 می شود و بدین ترتیب می توانند در مدار 3 ایجاد تداخل کنند .

اما اگر قسمت های مختلف مدار را به صورت موازی زمین کنیم ، این مشکل برطرف می شود .

روش دیگر برای کاهش امپدانس مشترک استفاده از (( صفحه زمین )) است .

صفحه زمین یک لایه هادی با عرض زیاد است که امپدانس بسیار کمی دارد .

در صورتی که صفحه زمین در دسترس باشد ، می توان از (( زمین چند نقطه ای )) استفاده کرد .

توجه به این نکته بسیار مهم است که صفحه زمین باید خود دارای امپدانس بسیار کمی باشد تا بتواند یک زمین خوب برای مدار به حساب آید . مثلاً در طراحی بردهای چند لایه معمولاً یکی از لایه های برد را به طور کامل به صفحه زمین اختصاص می دهند .

توصیه 1: اگر فرکانس کار مدارتان کمتر از 1 مگاهر تز است ، از زمین تک نقطه ای استفاده کنید .

توصیه 2: اگر فرکانس کار مدارتان بیشتر از 10 مگاهرتز است ، از زمین چند نقطه‌ای استفاده کنید .

توصیه 3: اگر فرکانس کار مدارتان بین 1 مگاهرتز و 10 مگاهرتز است و اگر طول سیم های زمین کمتر از 20/0 است ، از زمین تک نقطه ای استفاده کنید .

توصیه 4: برای مدارهای دیجیتال از زمین چند نقطه ای استفاده کنید ( به علت پهنای باند زیاد این مدارها ) .

توصیه 5: اگر مدارتان دارای طیف فرکانس وسیعی است ، از ((زمین هیبرید)) استفاده کنید . این مدار در فرکانس های پایین به صورت تک نقطه ای زمین می باشد .

توصیه 6: اگر مدارتان قطعات الکترونیکی متنوعی را در خود دارد ، آن را به قسمت‌های زیر تقسیم کنید و سیم های زمین هر قسمت را جداگانه به یکدیگر متصل کنید :

قسمت آنالوگ

قسمت دیجیتال

قسمت نویزی (رله ها ، موتورها و مانند آن)

زمین سخت افزاری

یک روش برای زمین کردن این نوع مدارها در شکل 7 نمایش داده شده است .

1.2 اجتناب از حلقه زمین

نکته دیگر در طراحی زمین مدار ، جلوگیری از به وجود آمدن حلقه های زمین است . اگر در مدار حلقه زمین تشکیل شود ، در این حلقه بر اثر میدان های الکترو مغتاطیسی مزاحم ، نویز القا می شود .

روش های زیر برای قطع حلقه زمین پیشنهاد می شود :

می توانید برای از بین بردن کوپلاژ الکتریکی در مدار از ترانس به شکل 9 استفاده کنید .

می توانید کوپلاژ الکتریکی را با کوپلاژ نوری جایگزین کنید . این روش به علت خطی نبودن برای مدارهای دیجیتال مناسب است

می توانید از تقویت کننده تفاضلی یا شبه تفاضلی در مدار استفاده کنید.

در این صورت نویز که روی هر دو ورودی تقویت کننده وجود دارد به شدت تضعیف می شود و می توان گیرنده را float  به حساب آورد.

 با کمی دقت می توان دید که بهره مدار برای سیگنال Vs  برابر 1+R2/R1  و برای ولتاژ مشترک نویز 1 است.

4- متعادل کردن (Balancing) : در شرایطی که بتوان از دو منبع سیگنال در مدار استفاده کرد ، می توان با متعادل کردن مصرف کننده ، اثر نویز مشترک را حذف کرد .

نویز القا شده روی دو هادی در کل یکدیگر را خنثی می کنند .

5- استفاده از زمین هیبرید : در این سیستم بدنه دستگاه در فرکانس 50 هرتز به زمین متصل شده است ، اما برای فرکانس های بالاتر حلقه زمین وجود ندارد .

6- با استفاده از چوک طولی (بالون) : استفاده از یک چوک باعث می شود که سیگنال های دیفرانسیلی به خوبی عبور کنند و سیگنال های مشترک به شدت تضعیف شوند . استفاده از این روش برای فرکانس های بیشتر از 10 مگاهر به علت خاصیت خازنی سیم پیچ ها مطلوب نیست .

7- استفاده از آی سی های تقویت کننده های جداساز : این آی سی ها گران قیمت که پهنای باندی در حدود 60 کیلوهرتز دارند ، می توانند به خوبی برای جدا کردن دو قسمت مدار به کار روند .

2 استفاده از حفاظ (شیلد)

یکی از روش های جلوگیری از تداخل در مدارها استفاده از حفاظ است . برای مشاهده روش های به کار بردن حفاظ ، ابتدا کوپلاژهای خازنی و سلفی در مدار را بررسی می کنیم .

1.2 کوپلاژ خازنی

از آنجا که بین هر دو هادی نزدیک به هم کوپلاژ خازنی وجود دارد تغییرات ولتاژ در یکی ، روی هادی دیگر تاثیر می گذارد .

همانطور که مشاهده می شود بین هر دو سیم مجاور و هر سیم و زمین ، کوپلاژ خازنی وجود دارد . این کوپلاژ در مورد اول باعث ایجاد همشنوی می شود . بدون بررسی دقیق می توان گفت که با افزایش ارتفاع سیم ها از سطح زمین ، افزایش امپدانس سیم دوم ، افزایش طول سیم ها و افزایش فرکانس Xcap  افزایش پیدا می کند و با افزایش فاصله دو سیم Xcap  کاهش پیدا می کند .

توصیه 7 : در طراحی PCB  خط هایی را که تغیرات سریع دارند (مانند ساعت مدار) دور از خطوط حساس مدار (مانند قسمت های حساس آنالوگ ، Reset  یا I/O) قرار دهید .

توصیه 8 : در طراحی PCB در طرفین خطوطی که تغیرات سریع دارند از خطوط زمین استفاده کنید . این خطوط مانند حفاظ عمل می کنند و باعث کاهش اثر روی قسمت های دیگر مدار می شوند .

توصیه 9 : طول خطوط سیگنال بین کیت ها را حداکثر 15 الی 25 سانتی متر انتخاب کنید . اگر از صفحه زمین استفاده می کنید طول این خطوط را می توانید حداکثر تا 50 سانتی متر انتخاب کنید .

توصیه 10 : اگر امپدانس ورودی گیت های و امپدانس مشخصه هادی در مدارهای دیجیتال یکی باشند ، موج برگشتی نخواهیم داشت و ولتاژ اعمال شده به سرعت پایدار خواهد شد . بنابراین پیشنهاد می شود که امپدانس ورودی گیت ها را با استفاده از موارد زیر تصحیح کنید (به این کار پایاندهی4 خطوط دیجیتال می گویند) . تذکر این نکته لازم است که امپدانس مشخصه خطوط PCB حدود 100 است .

توصیه 11 : هنگام بستن مدارهای Wire Wrap  از بردهایی استفاده کنید که دارای صفحه زمین اند . اگر چنین بردهایی را در اختیار ندارید ، از خطوط متعدد زمین استفاده کنید . با توجه به طبیعت خاص مدارهای دیجیتال بهتر است بدون توجه به ایجاد حلقه زمین ، شبکه ای از خطوط زمین در سطح مدار ایجاد کنید . ایجاد نوارهای پهن زمین (بوسیله سیم های متعدد) نیز می توان مفید باشد .

توصیه 12 : هنگام بستن سیم ها در مدارهای Wire Wrap ، ابتدا طولانی ترین سیم ها را ببندید . به این وسیله طولانی ترین سیم ها به صفحه زمین نزدیک تر خواهند بود .

توصیه 13 : به فکر زیبا شدن مدار نباشد و همیشه از کوتاه ترین مسیر برای سیم بندی استفاده کنید .

توصیه 14 : کنار سیم هایی که تغییرات سریع دارند (مانند ساعت ) سیم های زمین قرار دهید .

توصیه 15 : برای سیم های رفت و برگشت سیگنال ، از سیم های Twisted Pair استفاده کنید .

توصیه 16 : به ازای هر 1 متر موازی بودن با سیم تغذیه ، سیم های سیگنال معمولی باید 5/2 سانتی متر و سیم های سیگنال حساس باید 25 سانتی متر فاصله داشته باشند.