Филтриране на шума в сигнални и електропроводи
В много случаи се налага да се справяме с филтрирането на шума в сигналните или електропроводите. Електрическите линии, идващи от превключващи регулатори на напрежение, могат да бъдат твърде шумни за чувствителни аналогови вериги. Шумът в захранващите шини или сигналните линии може да идва от други вериги в системата или от външни устройства. Проблемът с филтрирането на сигналната линия може да бъде особено труден, тъй като е необходимо да се премахнат всички смущения, като същевременно се запази целостта на желания сигнал. Това може да се случи, ако нивата и честотните ленти на полезния сигнал и шума са от един и същи порядък. Тогава може да се наложи да използвате екранирани кабели, но това често е най-малко желаната опция поради високата цена. Дори високоскоростни мрежи като 100BASE-TX или 1000BASE-T използват кабели с усукана двойка, а не екранирани кабели като мрежите 10BASE5. Докато в случай на мрежов кабел имате нисък импеданс и голям капацитет на драйвера, с аналоговите сигнали се сблъсквате с висок импеданс и нисък капацитет на ток на драйвера.
Основният принцип на проектиране зад много филтри, използвани за премахване на нежелани честоти или шумови пикове, е добавянето на висок сериен импеданс и нисък паралелен импеданс. Просто казано, това ще бъде сериен резистор и паралелен кондензатор, познат ви като нискочестотен филтър. На пръв поглед може да изглежда, че добър начин за подобряване на затихването би бил замяната на резистора с индуктор, но това не винаги е така. С индуктор ще имате по-стръмен наклон на затихване, но в крайна сметка ще имате резонансна верига, която може да доведе до някои нежелани резултати. Обмислипримерът, показан на фигура 1, с нисък импеданс на източника на сигнал и натоварване от 1 MΩ.
 |
| Снимка 1. |
Използването на комбинацията 1 kΩ/10 nF води до -3 dB гранична честота от около 16 kHz и скорост на спад от 20 dB/десетилетие (зелена линия на фигура 2). Замяната на резистора с индуктор би трябвало да подобри спада до 40dB/десетилетие, което прави, но добавя нежелан ефект (червена линия на фигура 2).
 |
| Фигура 2. |
Както можете да видите, с индуктивността, затихването става по-добро, но в същото време в честотната характеристика се появява пик, предизвикан от резонанс. Точният отговор, който получавате, зависи от импедансите на източника и товара. Ако сте запознати с дизайна на пасивния LC филтър, ще знаете колко важни са тези импеданси. Колкото по-ниски са, толкова по-добре потискат резонанса. Следователно поведението на едни и същи филтри в захранващите шини ще бъде различно поради ниския импеданс на натоварване. Резултатът от промяна на натоварването от 1 MΩ на 1 kΩ е илюстриран на фигура 3.
 |
| Фигура 3 |
Подобряването на наклона все още е налице, но отклонението вече е потиснато и е доста малко. Друго предимство на индуктора пред резистора е, че загубата на мощност в серийното съпротивление на индуктора и спадът на напрежението върху него е много по-малък. В случай на захранване е малко вероятно да искате да добавите сериен резистор от 1 kΩ, но друго нещо е дросел, който при 10 mH индуктивност има серийно съпротивление много по-малко от 1 kΩ. За потискане на високочестотни смущения компоненти като феритни филтри собикновено под формата на тръби или мъниста. Те са посочени в спецификациите за размера на импеданса при определена честота, да речем 600 ома при 100 MHz. При ниски честоти (напр. 100 kHz) те вероятно ще бъдат с импеданс под 1 ом и почти нямат затихване, тъй като тези устройства обикновено са проектирани да работят на много високи честоти.
 |
| Фигура 4 |
Друго устройство, което трябва да знаете за потискане на смущенията в диференциалните сигнални линии, е дроселът за общ режим, който обикновено е тороид с две еднакви намотки. Благодарение на взаимното свързване между намотките, синфазните токове се сумират и входният импеданс се увеличава, така че индуктивността отслабва синфазните компоненти на сигнала. За диференциалните сигнали токовете на индуктора взаимно се компенсират и сигналите не се влияят от дросела. Този ефект е илюстриран от веригата на фигура 4. L1 и L2 образуват общ режим на дросел с два индуктора (не са показани на диаграмата), свързани взаимно. Диаграмата показва индуктивности с леко различни стойности, отразяващи малката вариация в реалните продукти.
 |
| Фигура 5 |
Честотната зависимост на затихването в общия режим (зелена линия) и диференциалното (червена линия) е показана на фигура 5. В този пример е симулиран коефициент на свързване от 0,9. По-високият коефициент на свързване дава по-добри резултати при високи честоти.
Кондензаторите 100pF не са филтърни елементи, но симулират входния капацитет на веригата, която управлявате. При по-високи съпротивления на натоварване трябва да се следят нежеланите резонанси, дори и при малки паразитни капацитети. Препоръчително е да се стремите къмтака че товарното съпротивление да е възможно най-ниско, но в разумни граници, в които това да не води до прекомерно увеличаване на изкривяването на сигнала.
Превод: AlexAAN по поръчка на RadioPilot