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 :
1- قسمت آنالوگ
2- قسمت دیجیتال
3- قسمت نویزی (رله ها ، موتورها و مانند آن)
4- 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 :
1- می توانید برای از بین بردن کوپلاژ الکتریکی در مدار از ترانس به شکل 9 استفاده کنید .
2- می توانید کوپلاژ الکتریکی را با کوپلاژ نوری جایگزین کنید . این روش به علت خطی نبودن برای مدارهای دیجیتال مناسب است
3- 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.
تاثیر حفاظ روی کوپلاژ خازنی
حفاظ باعث بسته شدن جریان نویز و هدایت آن به سمت زمین می شود .
توصیه 17 : حفاظ را به خوبی زمین کنید . سعی کنید مقدار سیم خارج از حفاظ به حداقل برسد .
توصیه 18 : زمین کردن حفاظ باید در یک نقطه انجام شود تا حلقه زمین ایجاد نشود ، اما در فرکانس های بالاتر از 1 مگاهرتز یا در کابل هایی که طول شان بزرگتر از 20/ است را در دو طرف ، زمین می کنیم و اگر طول کابل خیلی زیاد باشد در هر 20/ حفاظ را زمین می کنیم .
توصیه 19 : توجه کنید که جریان نویز منبع تدخلی از راه حفاظ به زمین می رود . بنابراین حفاظ را مسیر عبور جریان سیگنال نکنید . مثلا زمین کردن حفاظ در نقطه A باعث عبور جریان نویز از سیم های سیگنال می شود و بهتر است حفاظ در نقطه B زمین شود .
توصیه 20 : اگر منبع سیگنال float است و بار زمین شده است ، حفاظ را در طرف بار زمین کنید ، و اگر منبع سیگنال زمین شده است و بار float است حفاظ را در طرف منبع زمین کنید .
توصیه 21 : یکی دیگر از مواردی که ممکن است حفاظ ، مسیر عبور جریان شود. وقتی فرکانس از چند کیلوهرتز بالاتر رود به علت القای متقابل بین حفاظ و سیم حامل جریان ، جریان سیگنال از حفاظ عبور خواهد کرد . بنابراین باید از به کار بردن این ترکیب ها اجتناب کنید .
2.2 کوپلاژ سلفی (مغناطیسی)
هر دو سیم مجاور به علت القای متقابل ممکن است در یکدیگر ایجاد تداخل کنند . امپدانس کوپلاژ بین دو سیم با افزایش فرکانس یا ارتفاع از سطح زمین یا طول دو سیم افزایش می یابد و با افزایش فاصله دو سیم و امپدانس سیم قربانی5 ، کاهش پیدا می‌کند .
با توجه به ماهیت مغناطیسی این کوپلا ، حفاظ روی آن تاثیری ندارد .
توصیه 22 : برای کاهش کوپلاژ مغناطیسی سعی کنید سطح حلقه های مدار را کاهش دهید .
توصیه 23 : برای مقابله با کوپلاژ مغناطیسی و الکتریکی می توان از کابل های Twinax (Shielded Twisted Pair) استفاده کرد.
کابل های Triax نیز برای این کار مناسب اند .
توصیه 24 : زمین کردن مدار از یک طرف ، اهمیت بسیار دارد ، زیرا کوپلاژ مغناطیسی به سطح حلقه حساس است بنابراین برای کاهش کوپلاژ مغناطیسی از روشهای قطع حلقه استفاده کنید .
توصیه 25 : هنگام استفاده از کابل های تخت6 بین هر دو سیم سیگنال از یک سیم زمین استفاده کنید . اگر لازم است چند کابل تخت روی هم قرار داده شوند ، حتما از یک فاصله گذار7 بین آنها استفاده کنید ، زیرا در این حالت ، زمین های متعدد کمکی به کاهش همشنوی8 نمی کنند .
توصیه 26 : برای حفاظ ، در مجموع فولاد (به شرط اینکه ضخامتش بیشتر از 1 میلی متر باشد) مناسب تر از مس یا آلومینیوم است . برای مقابله با میدان مغناطیسی فرکانس پایین از موادی با پایین تر (فولاد یا آلیاژ نیکل ، مومتال و پرمالوی) استفاده کنید . برای مقابله با میدان های فرکانس بالا (بیشتر از چند صد کیلوهرتز) از مس یا آلومینیوم استفاده کنید . در مواردی که شدت میدان مغناطیسی خیلی زیاد است از حفاظ چند لایه استفاده کنید .
توصیه 27 : سعی کنید حفاظ هیچ منفذی به خارج نداشته باشد ، زیرا در غیر این صورت کارایی آن افت می کند . در شرایطی که واقعا نیاز به منفذ دارید ، (مثلا برای عبور سیم از جعبه کامپیوتر) سعی کنید سطح تماس درزها را بیشتر کنید تا میدان مغناطیسی نفوذ کمتری به داخل داشته باشد . همچنین قسمت های منتشر کننده یا جذب کننده نویز را دور از منافذ قرار دهید .
توصیه 28 : برای آب بندی کردن منافذ از Gasket استفاده کنید . Gasket مانند واشر راه نفوذ میدان مغناطیسی را می بندد (چه به سمت داخل و چه به سمت خارج).
توصیه 29 : اگر لازم است سیمی از حفاظ عبور کند ، باید حتماً آن را از فیلتر عبور دهید .
کاهش امپدانس سیستم توزیع تغذیه زمین
یکی از نکات مهم در طراحی مدار کاهش امپدانس مشخصه سیستم توزیع تغذیه زمین است . برای این کار باید ملاحظات زیادی در طراحی مدارها به ویژه PCB در نظر گرفته شود . به عنوان مقدمه امپدانس مشخصه چند سیستم را بررسی می کنیم .
با توجه به مطالب ذکر شده برای ساخت PCB توصیه هایی وجود دارد :
توصیه 30 : یک خط مسی به ضخامت 1 میلی متر روی PCB حدودا m /cm 5 مقاومت ، pf/cm 1 ظرفیت خازنی ، و nH/cm 7 ضریب سلفی دارد . بنابراین تا جایی که ممکن است از طول خطوط PCB کم کنید و عرض آنها را بزرگ انتخاب کنید . یک طراحی خوب برای PCB باید فقط جاهای لازم را از مس پاک کند و جای خالی بدون مس بی استفاده نداشته باشد .
توصیه 31 : پهنای باند فرکانس پالس های دیجیتالی تقریبا هیچ ربطی به فرکانس پالس ندارد ! بلکه زمان خیز9 پالس است که پهنای باند فرکانس آن را مشخص می کند . در مورد پالس های دیجیتال داریم :
بنابراین یک پالس دیجیتال با tr=3ns (مانند گیت های AS) پهنای باندی در حدود 100 مگاهرتز دارد . بنابراین کاهش امپدانس مشخصه در مدارهای دیجیتالی اهمیت زیادی دارد .
توصیه 32 : اگر می توانید از برد چند لایه استفاده کنید ، یک لایه کامل را به صفحه زمین و یک لایه را به منبع تغذیه اختصاص دهید .
توصیه 33 :اگر از برد دو لایه استفاده می کنید ، یک طرف برد را به طور کامل به زمین اختصاص دهید و در طرف دیگر با استفاده از خطوط پهن تغذیه آی سی ها را تغذیه کنید .
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 23 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
دانلود مقاله روش های کاهش نویز در مدارهای الکترونیکی
