Шум усилителя при отсутствии сигнала, Помехи, шумы, наводки и как с ними бороться.
Контакт, разъединившийся во время трансляции рекламного блока, может принести больше убытков, чем стоимость полного комплекта новых кабелей. В оборудовании, оснащенном классическими линейными блоками питания, сетевая помеха проникает через относительно малую сотни пФ паразитную емкость сетевого трансформатора. АЧХ - амплитудно-частотная характеристика - зависимость коэффициента усиления репитера от частоты. Поскольку каждое мероприятие по борьбе с помехами и наводками подчас напоминает сеанс черной или белой магии, то мы предлагаем Вам проверенные годами средства, которые Вы сможете приобрести только у нас. Помимо этого, при более низкой развертке, больше усиливается вся видимая область, а это приводит к тому, что сильнее становится не только сигнал, но и шумовые помехи.
Это происходит потому, что DSO оцифровывают сигнал и подсвечивают пиксели на экране иногда с учетом, а иногда независимо от частоты их появления. Небольшие изменения амплитуды незначительно меняет отображение волны на аналоговом приборе, однако, на цифровом это приводит к другому уровню квантования оцифровки , что делает кривую более толстой и, как следствие, более зашумленной. Современные цифровые осциллографы преодолели прежние ограничения и позволяют, подобно аналоговым, дифференцировать яркость пикселей в зависимости от частоты появления зарегистрированного события.
Теперь импульсы, которые возникают в различное время и с разной амплитудой, выглядят не такими «яркими», как основной исследуемый сигнал. Осциллограф - инструмент просмотра регистрируемых сигналов, и он будет бесполезен, если на его вход ничего не будет подаваться. Поэтому не следует искать что-то в том, в что изначально выглядит как чистая линия без присутствия какого-либо сигнала.
Осциллографы могут быть оптимизированы для измерения очень слабых импульсов, имея малый коэффициент затухания и высокий коэффициент усиления на входе. Однако в обмен на высокую чувствительность они получают низкую производительность при более высоких амплитудах входного напряжения, которое обычно исследуются гораздо чаще.
Ниже мы приводим таблицу, которую мы составили на основе спецификаций некоторых DSO с частотой пропускания и МГц от различных производителей. В ней мы можем увидеть и сравнить заявленные производителями значения RMS шума при отсутствии напряжения на входе.
Исходя из этого, перед покупкой осциллографа, следует тщательно подумать для чего он вам нужен, и не рассматривать только один рабочий диапазон чувствительности. Также важно помнить, что характеристики DSO представлены в виде среднеквадратичных значений RMS , в то время как человеческий глаз воспринимает зашумленность, отображаемую на дисплее, как от пика к пику. Картину, которую вы увидите на экране прибора зависит от типа используемого пробника, применяемой методики исследования, характеристик заземляющего проводника.
Также на нее влияют некоторые настройки DSO, в первую очередь такие, как: величина развертки, глубина используемой памяти, частота дискретизации, полоса пропускания, режимы сбора и отображения данных. Далее мы обсудим, как корректировка настроек DSO может изменить фактически регистрируемый шум и способ его отображения. Предположим, что пробник и заземляющий провод к нему — соответствуют характеристикам напряжения, подаваемого на вход.
При этом чем меньше будет отображаемая осциллограмма то есть допустим она отображается только 2 из 8 вертикальных клеток , тем менее точным будет наше измерение. Причина этого в том, что аналого-цифровой преобразователь АЦП не будет задействован во всем динамическом диапазоне. Помимо этого, при более низкой развертке, больше усиливается вся видимая область, а это приводит к тому, что сильнее становится не только сигнал, но и шумовые помехи. Для большей эффективности использования аналого-цифрового преобразователя необходимо выполнить масштабирование изображения волны на весь дисплей.
Этому может способствовать использование переменного коэффициента усиления вместо фиксированных значений в 1, 2, 5 и 10, предлагаемых большинством производителей приборов. При низких уровнях входного напряжения использование пробника то есть с нулевым ослаблением вместо стандартного пробника то есть с кратное ослабление приведет к значительно лучшему исследованию из-за минимальной зашумленности.
Пример корректировки вертикальной развертки и замены осциллографического пробника, для оптимизации производительности, показан на скриншотах ниже. Для синусоидальной волны, с размахом Vpp в 20 мВ, при использовании стандартного пробника , мы видим зашумленность в 10 мВ.
Присутствие такой сильной зашумленности может заставить исследователя заняться поиском проблем в источнике принимаемого напряжения. При этом помните, что вы наблюдаете значение шума от пика к пику, а не его среднеквадратичное значение RMS , приводимое в спецификации устройства. Следующая характеристика осциллографа, которую мы можем скорректировать, чтобы повлиять на отображаемую картинку — это глубина или длина задействованной памяти.
Некоторые DSO позволяют изменять количество точек памяти, используемых в горизонтальном масштабировании при сборе данных. Давайте разберемся почему первая трассировка с точками памяти выглядит менее зашумленной, чем вторая с 10 миллионами точек.
Первая из них заключается в том, что при разной глубине памяти выборка данных осуществляется с различной частотой. Таким образом, при меньшем количестве отображаемых данных происходит их сжатие. Множество регистрируемых на разной высоте точек объединяются в одну точку.
Так, например, если большинство объединяемых выборок будут иметь отличное от основного сигнала значение амплитуды, то мы увидим это в виде утолщения линии или повышения зашумленности.
Таким образом, изменение глубины памяти или ее длины позволяет регулировать отображаемую на экране DSO зашумленность. Вторая причина заключается в том, что частота дискретизации напрямую связана с цифровой полосой пропускания осциллографа.
Согласно теореме Найквиста, при частоте дискретизации в 1 миллион выборок в секунду максимальная частота сигнала, которая может быть восстановлена, составляет всего кГц. Теперь мы узнаем, как влияет цифровая полоса пропускания на величину регистрируемого шума. При исследовании мы можем увидеть влияние высокочастотной полосы пропускания. Радиоинженеры знакомы с концепцией шума, генерируемого тепловым движением электронов в проводнике.
Его мощность определяется следующим выражением:. T - абсолютная температура нагрузки например, резистора , К;. После запуска автоматического сканирования последовательно нашлись ОРТ, РТР и сразу за ними на экране появился незнакомый сигнал. Впрочем, ТВ-сигналом в привычном смысле его назвать было трудно - на сильно зашумленном экране, покрытом шевелящимися косыми серыми полосами, виднелся прямоугольник с рваными краями, по которому плыли горизонтальные волны 50 Гц. Покупка декодеров по адресу Такие ужасы нечасто приходится видеть на экранах наших телевизоров, но, тем не менее, проблемы качества сигналов, помех и шумов немало попортили крови инженерам.
Построение любой системы вещательного уровня обязательно требует обеспечения достаточно низкого уровня шумов как в тракте звуковых, так и видеосигналов.
Как всякие электрические сигналы, помехи, наводки и шумы имеют вполне конкретные источники и пути проникновения в тракт сигнала. Попробуем разобраться с основными видами помех и типичными методами борьбы с ними. Синусоидальный сигнал с частотой 50 Гц - прямое проникновение основной гармоники сетевого питания. Виден на экране как горизонтальные серые полосы с мягкими краями, медленно плывущие по вертикали.
Типичный случай появления - незаземленные источник и приемник сигнала питаются от различных фаз сети. Синхронные с сетью помехи токов питания устройств, участвующих в обработке сигнала. Видны на экране как редкие на экране горизонтальные узкие полосы, поочередно темные и светлые, медленно плывущие по вертикали. Синхронные с сетью импульсные помехи от тиристорных регуляторов и ламп дневного света - похожи на предыдущие, но более узкие, резкие, иногда с мелкой структурой по горизонтали.
Помехи от импульсных источников питания и блоков развертки телевизоров.
Помехи от импульсных источников питания и блоков развертки телевизоров, компьютеров, мониторов и т. Видны на экране как бегущие косые полосы сетка или крупный шевелящийся муар. Типичный случай появления - не заземленный бытовой телевизор подключен к микшеру длинным тонким кабелем. При синфазости основного и мешающего сигналов гасящие импульсы не видны, но различие картинок может приводить к плавному цветному муару.
Несинхронный чужой видеосигнал - бегущие по экрану следы чужого синхросигнала. Отличается характерными ровными краями картинки гасящих импульсов помехи и стабильностью частоты. Высокочастотные помехи - широкое понятие, проявляющееся в виде мелко структурной сетки или муара по всему экрану. Детектирование ВЧ помехи во входных каскадах звукового тракта иногда приводит к появлению низкочастотных сигналов самых неожиданных местах.
Несмотря на то, что каждый из приборов, составляющих комплекс оборудования студии, имеет высокие характеристики и низкий уровень шума, далеко не всегда весь комплекс имеет столь же хорошие параметры. И основной вклад в уровень помех вносят соединительные кабели и разъемы. Источником синусоидальной Гц помехи в большинстве случаев являются токи, текущие по оплеткам коаксиальных кабелей.
На вполне конечном ненулевом суммарном сопротивлении оплетки и разъемов ток помехи вызывает падение напряжения, суммирующееся с напряжением полезного сигнала. В оборудовании, оснащенном классическими линейными блоками питания, сетевая помеха проникает через относительно малую сотни пФ паразитную емкость сетевого трансформатора. В современных приборах, оснащенных импульсными источниками питания, основная часть сетевой помехи проникает через относительно большую 0.
Емкостной делитель С1, С2 создает на общем проводе устройства среднее напряжение в В по отношению к нулю сети проверьте тестером относительно батареи или нуля и выходным током короткого замыкания 0. И неудивительно - суммарная емкость всех параллельно соединенных сетевых фильтров составила почти 0. Попытка присоединить длинным кабелем к этой системе заземленный магнитофон BETACAM привела к появлению хорошо заметной Гц помехи, менявшейся при покачивании соединительного разъема.
Причиной помехи было падение напряжения на оплетке кабеля и высоком переходном сопротивлении разболтанного разъема, вызванное протеканием суммарного Гц тока от фазного провода сети по пути А-Б-В-Г в провод заземления рис.
Помогло заземление нескольких магнитофонов рис. Наиболее правильное решение в таком случае состоит в отдельном заземлении каждого из магнитофонов на низкоимпедансную шину заземления. Аналогично синусоидальной Гц помехе проникают в сигнал и большинство других помех, перечисленных выше.
Общая их особенность - возникновение паразитных токов в экране соединительного сигнального кабеля. Внешние токи помех - из сети например, от тиристорного регулятора настольной лампы или внутренние от импульсных блоков питания и блоков разверток проникают в сигнальную землю устройства через паразитные емкости. Особо следует отметить применение дешевых бытовых телевизоров в качестве контрольных мониторов. Не предназначенные для функционирования в комплексе с другим оборудованием, они могут создавать значительные паразитные токи в подключенных сигнальных кабелях.
Это связано с объединением в телевизоре земель импульсного блока питания, каскадов разверток и входных разъемов видеосигнала.
Подача на вход телевизора видеосигнала, не синхронного с основными сигналами студии, делает это особенно заметным. Эта идея развивается на рис.
Для лучшего понимания основ проектирования малошумящих схем на дискретных компонентах см. Этот факт может сильно повлиять на схемы, содержащие высокоомные резисторы в цепях обратной связи или источники сигнала с высоким импедансом. Если рассматривать только усилители с самым низким напряжением шума скажем, ниже 1.
Эти две замечательных микросхемы имеют, кроме того, и самый низкий среди конкурентов шумовой ток. Тем не менее, следует предупредить об ужасном широком шумовом пике откровенно возвышающемся на 15 dB прямо посреди паспортных данных с основной частотой kHz , который начинается на kHz и заканчивается на kHz. ОУ, использующие схему компенсации, имеют отметку в колонке « bias cancel » табл. Компенсация входного тока вблизи уровней питания При работе с усилителями, допускающими размах входного сигнала вплоть до уровней питания, следует проявлять повышенную осторожность: их входные токи склонны к экспоненциальному росту по мере приближения к упомянутым уровням питания см.
Справочные данные отражают данный факт в графической форме, но обычно никак не оговаривают столь неприятное поведение в табличных данных. Для CFB усилителей в табл. Разница может достигать десятикратных уровней. Как обычно совет: справочные данные следует изучать внимательно! В ней проставлены значения, соответствующие минимально возможному коэффициенту шума см. Но основная его польза в другом: шумовое сопротивление сразу показывает максимальный номинал резистора обратной связи, который ещё можно использовать.
Есть ещё кое-что, не связанное напрямую с шумовым током: иногда проблемы создаёт сам факт прохождения постоянной составляющей входного тока через сопротивление источника, которое может представлять собой достаточно высокоомный датчик. Кроме того, речь идёт о токах утечки, которые экспоненциально растут с ростом температуры. Для операционных усилителей на биполярных транзисторах максимальные значения входного тока превышают типовые в два-три раза, но в ОУ на полевых и МОП транзисторах ситуация совершенно иная.
Единственное, что можно сказать определённо: исключая случаи высоких температур, шумовой ток таких усилителей будет несколько ниже, чем у ОУ на биполярных транзисторах, что хорошо видно из нижних графиков на рис. Правда, даже в этом случае шумовой ток разогретого усилителя на полевых транзисторах будет где-то в пять раз ниже, чем у схемы на биполярных.
Низкий входной ток последнего является следствием отличной работы компенсационных цепей и хорош, когда речь идёт о постоянной составляющей входного тока, но эти цепи никак не меняют шумовой ток, который является следствием физических процессов в исходном нескомпенсированном потоке заряженных частиц. Когда разговор идёт о повышенных температурах, всегда следует учитывать, что часто внутри стоящего на плате корпуса температура заметно выше, чем в помещении, особенно, если внутри имеются мощные потребители.
Кроме того, обнаружилась склонность некоторых ПТ ОУ к заметному саморазогреву. Эта особенность частично объясняет их высокую стоимость. Результат получается после суммирования с накоплением то есть «интегрирования» плотности шума иногда называемого «spot noise» по всей рабочей полосе. Иногда интегральный шум неправильно называют «напряжение шума» или просто «шум».
Четыре усилителя с рис. В общем случае на низких частотах ОУ на полевых транзисторах выглядят хуже, чем на биполярных, а о КМОП усилителях говорить уже просто неприлично. Обозначение микросхем соответствует рис. Их параметры даны в табл. Обычно производители приводят осциллограмму отфильтрованного выхода на 10 -секундном интервале см. На практике наблюдаются производители, использующие фильтры первого порядка, RC фильтры второго порядка и фильтры Баттерворта второго и третьего порядков.
Такая методика удобна для проверки паспортных данных или получения хоть каких-то цифр при отсутствии информации от производителя. Спектр шума соответствует кривой 8 на рис. Для некоторых датчиков с высоким импедансом входная ёмкость работает и как дополнительная высокочастотная нагрузка, и как путь прохождения высокочастотного шума с шины питания на вход в виде шумового тока.
Для некоторых дифференциальных ОУ в паспорте приводятся значения ёмкости как для синфазного, ток и для дифференциального режима. Для таких случаев в таблицу заносилось наибольшее значение внимательно изучайте справочные данные, прежде чем ввязываться в проект.
Если исключить биполярные ОУ и шумные экземпляры, можно заметить, что чем меньше входная ёмкость, тем больше шума. Но некоторые модели нарушают эту закономерность и выглядят достаточно интересно. Зависимость особенно хорошо видна по усилителям на полевых транзисторах из-за больших размеров входных транзисторов. Ст О ит запастись, если получится достать! Ну и наконец, для схемных конфигураций с высокой входной ёмкостью есть ещё вариант на дискретных компонентах см.
Ещё один источник неприятностей - ёмкость защитных компонентов на входе ОУ. Усилители с по-настоящему малой входной ёмкостью более чувствительны к статическому повреждению при неосторожном обращении. Единственным исключением являются трансимпедансные усилители на частотах выше Если для БТ ОУ входная ёмкость не обозначена, то её можно принять равной
