Как ни странно, но даже простейшая фильтрующая цепь по питанию может быть источником помех.

"Звон" LC-фильтра питания

Постановка задачи

При разработке ВЧ-устройств на фильтры в цепи питания обычно не обращают много внимания. Ну конденсаторы блокировочные числом и номиналом поболее (при широкой полосе набор из нескольких, отличающихся по номиналам раз в 10, чтобы на любой частоте обеспечить КЗ, т.к. большие конденсаторы на СВЧ имеют заметную индуктивность). Если не хватает развязки от блокировочных конденсаторов, ставят дополнительно последовательные дроссели. Несложно обеспечить развязку по питанию в любой заданной ВЧ полосе.

Я так тоже думал. До недавнего времени. Пока не столкнулся с необъяснимым поведением ФАПЧ генератора. В его выходном спектре непериодически возникали составляющие, отстоящие от основного колебания на несколько мегагерц.

Дело оказалось в "звоне" по питанию с частотой тех самых нескольких мегагерц. А причиной этого "звона" был простейший LC-фильтр по питанию аналогового выходного генератора. Мощные броски по питанию от включения цифровой части схемы "били" по фильтру, возбуждая в нём паразитные колебания и модулировали генератор.

Физика проблемы

Но обо всём по порядку. Возьмём простейший LC-фильтр, "обученный" подавлению частоты 100 МГц, показанный на рис. 1 (на этом рисунке 0,6 Ом - выходное сопротивление источника питания до фильтра, 100 Ом - сопротивление нагрузки после фильтра).


Рис. 1

Посмотрим, как справляется этот фильтр со своей задачей, т.е. его АЧХ (рис. 2).


Рис. 2

100 МГц фильтр подавляет успешно, более, чем на 55 дБ. Но зато частоту 2,67 МГц он не подавляет, а усиливает. Почти в два раза.

Дело проясняется, если посмотреть на схему рис. 1 как на согласующую цепь. Ее волновое сопротивление (т.е. сопротивление нагрузки) должно быть около 1,7 Ома (корень из L/C). А мы нагрузили ее во много раз большим сопротивлением (нашего питаемого ВЧ-устройства). То есть LC согласующая цепь на частоте своего резонанса (2,67 МГц) резко рассогласована (работает на слишком большое сопротивление). На ее выходе высокий КСВ.

А к чему приводит высокий КСВ при высоком импедансе мы знаем: к высокому напряжению. Что мы и видим на рис 2: резонансный выброс на 2,67 МГц.

Однако, если в нашей схеме ничто не генерирует сигналы около 2,67 МГц (резонанс, как мы видим на рис. 2, довольно узкий), то ничего плохого наш LC-фильтр и не сделает. И мы не узнаем о его резонансе (типичная ситуация для целиком аналоговых устройств).

Но ситуация меняется, когда у нас в устройстве имеются много потребляющие цифровые блоки и\или мощные ключи. Причем тут важно не столько их потребление, сколько величина и скорость их скачков потребления по питанию. Импульс с коротким фронтом имеет не только широкий, но и непрерывный спектр. В котором обязательно будет присутствовать и резонансная частота нашего LC-фильтра. На выходе которого мы и получим "звон".

Во временной области это выглядит (для фильтра по схеме рис. 1) как показано на рис. 3 (расчет, реакция на единичный скачок) и рис. 4 (измерения, реакция на прямоугольный импульс длительностью 2 uS). Шаг горизонтальной сетки на рис. 3 и 4 составляет 500 nS.


Рис. 3

Рис. 4

Измерения LC-цепи 100 нГн/100 нФ при сопротивлении источника 0,6 Ома и сопротивлении нагрузки 100 Ом показаны на рис. 5 (реакция на импульс 2 uS, шаг горизонтальной сетки 1 uS).


Рис. 5

От чего зависят параметры "звона"?

Частота заполнения соответствует резонансной частоте нашего последовательного LC-контура.

Величина выброса и время его затухания определяются нагруженной добротностью Qн, которая лежит в диапазоне от 1 до 10 и зависит от:

  1. Холостой добротности дросселя. Она обычно не меньше несколько десятков и поэтому влияет на Qн только в случае если последняя довольно велика.
  2. Волнового сопротивления контура r = (L/C)-1/2. Обычно для LC фильтра по питанию r составляет единицы или доли ома.
  3. Qн растет пропорционально r.
  4. Сопротивления нагрузки Rн фильтра. Чем оно выше, тем выше нагруженная добротность.
  5. Выходного сопротивления источника Ri на частоте паразитного резонанса. Чем оно меньше, тем Qн больше.

Ориентировочно можно считать, что Qн определяется как меньшая из двух следующих величин: 0,5Rн/r или 0,5r/Ri.

Например, для схемы рис. 1 Qн = 0,5r/Ri = 0,5*1,74/0,6 = 1,45, что хорошо соответствует графикам рис. 3 и 4 (первый выброс примерно в 1,5 раза больше перепада и "звон" полностью затухает за 4 периода колебаний, т.е. за примерно за три раза по Qн).

Проблема обостряется при использовании на входе LC-фильтра современных интегральных стабилизаторов с очень низким (единицы миллиом) выходным сопротивлением (и напротив, малозаметна на старых источниках с выходными сопротивлениями в доли ... единицы ом).

Не следует думать, что если на схеме нет дросселей в цепи питания, то и "звону" возникать неоткуда. На схеме индуктивностей может не быть. Но паразитную индуктивность всегда имеют печатные проводники. Для появления эффекта "звона" достаточно даже очень малых, в единицы наногенри паразитных индуктивностей.

Для ориентировки: индуктивность 1 нГн имеет печатный проводник шириной 0,5 мм и длиной всего 1,6 мм.

Обратимся к схеме рис. 6. Это не двузвенный LC-фильтр, как может показаться, а просто два блокировочных конденсатора 100 нФ и 10 нФ, включенные параллельно. Катушки же показанные на схеме - это паразитные индуктивности печатных проводников. От места подключения источника импульсной помехи по питанию(например, процессора) до первого конденсатора идет дорожка длиной около 1,6 мм (1 нГн), а между первым и вторым конденсаторами идет дорожка длиной около 3 мм (2 нГн). Нормальное, в общем, расположение элементов на плате. Но посмотрите к чему это может привести.


Рис. 6

На рис. 7 показана АЧХ. Поскольку LC-звеньев два, то и резонансных выбросов тоже два. Из-за малого сопротивления источника (0,03 Ома) Qн довольно высока, соответственно выбросы тоже большие.


Рис. 7

Реакция схемы рис. 6 на одиночный короткий импульс показана на рис. 8. Отчетливо видно, что "звон" заполнен двумя разными частотами, соответствующими пикам на рис. 7.


Рис. 8

Как с этим бороться

Если наш ВЧ-каскад критичен к помехам по питанию (например, опорный генератор высокой точности; генератор, управляемый напряжением, в системе ФАПЧ; входной малошумящий усилитель и т.п.), то "звон" в цепи питания нам не нужен.

Идеальное решение - полностью разделить цепи питания цифровой и аналоговой части прибора, чтобы импульсы из цифрового питания вообще бы не попадали в аналоговое питание. К сожалению, это не всегда возможно (например, носимый прибор с питанием от одного аккумулятора).

Если питание все же общее, то наиболее разумно отделить питание аналоговой части интегральным стабилизатором. Они недороги, многие из них работают при минимальном падении напряжения на них всего 0,1 В и хорошо подавляют помехи по питанию. Только выбирая стабилизатор, имейте в виду, что минимальное напряжение на его входе определяется минимальным мгновенным напряжением "звона" на цифровом питании. Ставить такой стабилизатор лучше непосредственно у питаемого каскада (для уменьшения индуктивности шины "очищенного" питания).

Если нет запаса напряжения питания и гасить его стабилизатором уже некуда, то "звон" LC-фильтров по питанию придется подавлять (причем, как мы видели выше отсутствие дросселя на схеме не снимает проблему, хватает и паразитной индуктивности дорожки питания).

Устранить выброс на паразитном резонанс фильтра можно очевидным образом - согласовать его выход. То есть нагрузить на активное сопротивление, равное r. Поскольку для фильтров питания r обычно очень низкое (доли ома ... единицы ом), то прямое подключение столь низкоомного резистора нагрузки фильтра приведет к бесполезному расходу мощности источника питания и его перегрузке.

Но резистор нагрузки нам нужен не на постоянном токе, а только на резонансной частоте фильтра. Поэтому подключив такой резистор через разделительный конденсатор мы решим проблему.

Это решение показано на рис. 9. Этот тот же самый фильтр, что и на рис.1, но через разделительный конденсатор 100 нФ добавлено активное сопротивление нагрузки 1,8 Ома.


Рис. 9

На рис. 10 показана получившаяся АЧХ. Она гладкая, т.к. наш фильтр теперь имеет согласованную нагрузку. Сравните рис. 2 и рис.10: на частоте 2,67 МГц резонансный выброс исчез, теперь вместо него благопристойниый плавный срез с уровнем - 3 дБ.


Рис. 10

На рис. 11 показана рекция схемы рис. 9 на единичный скачок на входе. "Звон" практически исчез (первый выброс менее 3% всего), сравните с рис. 3.


Рис.11

Если индуктивность в цепи питания неизвестна (например, паразитная печатных дорожек), то можно подобрать резистор подавления "на глаз" по следующей методике:

  1. Подключаем осциллограф (полная полоса, предельно коротки выводы, полная чувствительность, закрытый вход) прямо на точки питания (блокировочный конденсатор) защищаемого аналогового каскада.
  2. Запустив цифровую часть устройства (во всех мыслимых режимах) и\или щелкая ключами, смотрим наличие "звона".
  3. Если он имеется, то подключаем параллельно исследуемому блокировочному конденсатору цепь из последовательного конденсатора (номиналом в несколько раз больше исследуемого, но еще хорошо работающего на частоте "звона") и резистора согласования (1 ... 2 Ома для начала).
  4. Подбирая этот резистор, добиваемся пропадания "звона".


Malaga, 14.10.2012

На главную - Main page