Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2016
Chris Francis
Design World
Во многих случаях нам приходится заниматься фильтрацией помех в линиях передачи сигналов или питания. Линии питания, идущие от импульсных стабилизаторов напряжения, могут оказаться слишком зашумленными для чувствительных аналоговых схем. Помехи в шины питания или сигнальные линии могут проникать либо от других цепей системы, либо от внешних устройств. Особенно сложной может быть проблема фильтрации линий передачи сигналов, поскольку необходимо удалить все помехи, сохранив при этом целостность полезного сигнала. Такое может быть, если уровни и частотные полосы полезного сигнала и шума имеют один порядок величин. Тогда, возможно, вам придется воспользоваться экранированными кабелями, но часто это является самым нежелательным средством из-за его высокой цены. Даже в таких высокоскоростных сетях, как, например, 100BASE-TX или 1000BASE-T, используются кабели с витыми парами, а не экранированные, как в сетях 10BASE5. Если в случае сетевого кабеля вы имеете низкий импеданс и большую нагрузочную способность драйвера, то при передаче аналоговых сигналов вы сталкиваетесь с высоким импедансом и небольшим допустимым тока драйвера.
Основным принципом построения многих фильтров, используемых для удаления нежелательных частот или шумовых выбросов, является добавление высокого последовательного импеданса и низкого параллельного. Проще говоря, это будут последовательный резистор и параллельный конденсатор, известные вам как фильтр нижних частот. На первый взгляд может показаться, что хорошим способом улучшения ослабления была бы замена резистора на индуктивность, но это не всегда так. С индуктивностью вы будете иметь более крутой наклон характеристики ослабления, но получите резонансную схему, которая может привести к некоторым нежелательным результатам. Рассмотрим изображенный на Рисунке 1 пример с низким импедансом источника сигнала и сопротивлением нагрузки 1 МОм.
 |
| Рисунок 1. |
Использование комбинации 1 кОм/10 нФ дает частоту среза по уровню –3 дБ порядка 16 кГц и скорость спада 20 дБ/декада (зеленая линия на Рисунке 2). Замена резистора индуктивностью должна улучшить спад до 40 дБ/декада, что и происходит, однако при этом добавляется нежелательный эффект (красная линия на Рисунке 2).
 |
| Рисунок 2. |
Как вы можете видеть, с индуктивностью затухание становится лучше, но одновременно на частотной характеристике появляется вызванный резонансом пик. Точный отклик, который вы получите, зависит от импедансов источника и нагрузки. Если вы знакомы с конструированием пассивных LC фильтров, то наверняка знаете, насколько важен учет этих импедансов. Чем они ниже, тем лучше подавляют резонанс. Поэтому поведение таких же фильтров в шинах питания будет другим из-за низкого импеданса нагрузки. Результат замены нагрузки 1 МОм на 1 кОм иллюстрируется Рисунком 3.
 |
| Рисунок 3. |
Улучшение крутизны спада по прежнему сохраняется, но теперь выброс подавлен и стал довольно незначительным. Еще одним преимуществом индуктивности перед резистором является то, что потери мощности в последовательном сопротивлении индуктивности и падение напряжения на нем намного меньше. В случае источника питания маловероятно, что вы захотели бы добавить последовательный резистор 1 кОм, но другое дело – дроссель, который при индуктивности 10 мГн имеет последовательное сопротивление намного меньше, чем 1 кОм. Для подавления высокочастотных помех будут полезны компоненты типа ферритовых фильтров, имеющих обычно форму трубок или бусинок. В спецификациях на них указывается величина импеданса на определенной частоте, скажем, 600 Ом на частоте 100 МГц. На низких частотах (например, 100 кГц) их сопротивление, вероятно, будет меньше 1 Ом, а затухания почти не будет, так как, в основном, эти устройства предназначены для работы на очень высокой частоте.
 |
| Рисунок 4. |
Еще одно устройство для подавления помех в дифференциальных сигнальных линиях, о котором необходимо знать – синфазный дроссель, обычно представляющий собой тороид с двумя идентичными обмотками. Вследствие взаимной связи между обмотками токи синфазных сигналов складываются, и входной импеданс увеличивается, поэтому индуктивность ослабляет синфазные составляющие сигнала. Для дифференциальных сигналов токи индуктивностей компенсируют друг друга, и на сигналы дроссель не оказывает влияния. Этот эффект иллюстрируется схемой на Рисунке 4. L1 и L2 образуют синфазный дроссель, имеющий взаимную связь между двумя индуктивностями (на схеме не отображена). На схеме показаны индуктивности с немного отличающимися значениями, отображающими небольшой разброс в реальных изделиях.
 |
| Рисунок 5. |
Частотная зависимость затухания синфазных (зеленая линия) и дифференциальных (красная линия) сигналов показана на Рисунке 5. В этом примере смоделирован коэффициент связи 0.9. Более высокий коэффициент связи дает лучшие результаты на высоких частотах.
Конденсаторы 100 пФ не являются элементами фильтра, а имитируют входную емкость схемы, которой вы управляете. При более высоких сопротивлениях нагрузки необходимо следить за нежелательными резонансами, даже при малых паразитных емкостях. Целесообразно стремиться к тому, чтобы сопротивление нагрузки было как можно более низким, но в разумных пределах, при которых это не приводит к чрезмерному росту искажений сигнала.
