Внутри любой схемы существуют источники помех, которые создают серьезные проблемы при работе с малыми сигналами. Иногда схема, очень тщательно рассчитанная на бумаге, при тестировании на стенде показывает достаточно хорошие рабочие характеристики, но при изготовлении на печатной плате эта же схема не удовлетворяет предъявленным требованиям по точности. Эта разница в поведении одной и той же схемы, но в разном исполнении (в виде макета и печатной платы) объясняется физическим расположением проводников. Обычно здесь играют роль
5 9 Шумы в датчиках и интерфейсных схемах 245
не проводники, соединяющие отдельные элементы схемы (конденсаторы, резисторы, транзисторы, ОУ и тд ), а шины питания и заземления Эти две шины присутствуют практически во всех электронных схемах По обоим из них могут передаваться паразитные сигналы от одной части схемы в другую, по ним может осуществиться связь между выходными и входными каскадами измерительных систем
+ 12В
Шина питания подает ток ко всем элементам схемы Шина заземления также участвует в передаче напряжений и токов питания, к тому же она часто используется в качестве источника опорного потенциала для электрических сигналов Пересечения этих двух функций могут привести к возникновению паразитных контуров заземления На рис 5 54А показано, какие проблемы появляются при этом В схеме на этом рисунке сигнал датчика Vsпоступает на положительный вход ОУ, который как правило, имеет высокий коэффициент усиления ОУ подключен к источнику питания и получает от него ток i, который возвращается на землю в виде обратного тока i' Провод заземления соединен со схемой в точке а, расположенной рядом с датчиком Хотя в схеме нет ви димых источников помех, выходной сигнал состоит не только из полезного сигнала Vout, но и из некоторой ошибки Основная причина возникновения этой ошибки заключается в неправильном подсоединении проводов заземления На рис 5 54Б показано, что провод заземления является далеко неидеальным, поскольку он обладает конечными сопротивлением Rgи индуктивностью LgВ рассматриваемом примере обратный ток, возвращаясь к источнику питания после усилителя, проходит по шине заземления на участке ab, на котором происходит падение напряжения VgЭто напряжение хотя и небольшое, но может быть сравнимо с сигналом датчика Следует отметить, что Lgи Л включены последовательно с датчиком, и, следовательно, напряжение Vgпочти напрямую поступает на вход усилителя Токи, текущие по шине заземления, могут содержать высокочастотные (ВЧ) компоненты, в дополнение к этому индуктивность шины также вызывает появление довольно сильных ВЧ наводок, которые не только добавляют помехи, но и могут привести к нестабильности схемы Для примера, рассмотрим датчик температуры, который вырабатывает
246 Глава 5. Интерфейсные электронные схемы
напряжение, соответствующее произведению его чувствительности (100 мкВ/ °С) на температуру объекта. Ток на выходе малошумящего ОУ i в статическом режиме составляет 5 мА. Этот ток протекает через паразитный контур заземления, обладающий сопротивлением Rg=0.2 Ом. Падение напряжения на этом сопротивлении равно: Vg=iRg =1 мВ, что соответствует ошибке — 10° С! Выход из этой ситуации довольно прост: надо разорвать петлю заземления. При разработке схем шину опорного заземления всегда необходимо отделять от контуров заземления, по которым течет ток. Это особенно важно при проектировании цифровых схем. На рис. 5.55 показано, что перемещение точки присоединения к земле из точки а в точку с предотвращает формирование паразитного напряжения на проводе заземления, соединяющем датчик с резистором ОС R2Всегда необходимо помнить, что подсоединение шины заземления к плате следует осуществлять только в одной точке. Нарушение этого правила может привести к возникновению паразитных контуров заземления, которые бывает очень сложно обнаружить.
5.9.9. Шум Зеебека
Этот вид помех возникает в результате эффекта Зеебека (раздел 3.9 главы 3), который заключается в том, что при соединении двух разных металлов появляется термо э.д.с Величина этой э.д.с. обычно очень мала и для многих типов датчиков может просто игнорироваться. Но когда требуется получить абсолютную точность порядка 10... 100 мкВ, эти паразитные сигналы приходится учитывать. На эффекте Зеебека построены некоторые датчики температуры. Однако во всех остальных применениях термически индуцированная э.д.с. является паразитным сигналом. В электронных схемах соединения разнородных металлов можно обнаружить во многих местах: в разъемах, переключателях, контактах реле и т.д. Например, при соединении контактов некоторых микросхем с медными платами персональных компьютеров иногда возникает напряжение смещения порядка 40 мкВ × ΔГ, где А Г— перепад температур (в°С) между двумя контактирующими металлами. Другим примером является использование припоя из свинца и олова для пайки медных выводов. Между припоем и медными элементами возникает термоэлектрическое напряжение 1...3 мкВ/° С. Для уменьшения этих паразитных сигналов до значений порядка 0.3 мкВ/°С применяются специальные припои из кадмия и олова. На рис. 5.56А показана зависимость э.д.с. Зеебека от температуры для двух типов припоев. Даже соединение двух идентичных проводов, изготовленных разными производителями, может привести к появлению температурной зависимости напряжения с наклоном порядка 200 нВ/°С.
5 10 Гальванические источники питания для маломощных датчиков 247
Во многих случаях э д с Зеебека может быть значительно снижена при соответствующем монтаже схемы и выравнивании температур соединений Практические советы — делать минимальное количество соединений между датчиком и входными цепями интерфейсной схемы, где только возможно избегать включения в схему разъемов, механических ключей и других потенциальных источников термо э д с Но в некоторых случаях следовать этим советам не удается В таких случаях пытаются компенсировать термо э д с , возникающие в схеме, другими термо э д с , получаемыми на специально введенных соединениях Для получения эффекта взаимного уничтожения термо э д с все соединения в схеме должны поддерживаться при одинаковой температуре На рис 5 56Б показано соединение удаленного датчика к усилителю, где все места соединений поддерживаются хотя и при разных, но тщательно подобранных температурах Такие термически сбалансированные соединения должны быть близки по физическим свойствам и по возможности располагаться на общих
теплоотводах Необходимо также избегать воздействий воздушных потоков и перепадов температур на платы интерфейсных схем и корпусов датчиков