Resumen: Los errores en los Sistemas electrónicos, suelen ser analógicos, no digitales. Lo Analógico es propenso a la relación señal-ruido, interferencia, y las cuestiones de la linealidad. Esta nota de aplicación discute la necesidad de poder y la limpieza de la tierra y la integridad. Interfaz analógica puede ser una trampa para muchos diseños, por lo que muestran ejemplos de cómo usar circuitos integrados existentes para superar los problemas comunes de análoga.
Introducción
Lavarse las manos parece ser el simple sentido común. A menudo se ha dicho que muchas de las enfermedades prevenibles siguen existiendo debido a un error humano, no lavarse las manos y tomar las precauciones lógicas de seguridad con regularidad. Ahora me pregunto, ¿qué tiene el lavado de manos a modo de diseño electrónico con IC?. Muchas veces, los fallos del sistema electrónico son atribuidas a las partes cuando la verdadera causa fue un error humano. De estos errores humanos, el más común es mala comprensión de lo analógico en un mundo digital. Muy a menudo brillantes diseñadores digitales nunca se le han enseñado las técnicas analógicas por las escuelas de ingeniería se reduce la cantidad de lo analógico enseñado. Maxim, sin embargo, es un análogo de señales mixtas de la empresa. En esta nota compartimos algunos conceptos analógicos que ayuden a superar común error "humano" y mejorar los circuitos analógicos de todo el sistema.
La seguridad ante todo
Perder la vida para probar algo que no es bueno. Por lo tanto, si no tienen experiencia en la solución de problemas con tensiones presentes altos, encontrar a un profesor con experiencia. Nunca, nunca, nunca eliminar por motivos de seguridad (la tercera punta del cable) de equipos de aire acondicionado. Refundido de forma más sucinta, nunca derrotar a los dispositivos de seguridad que puede costar la vida.
Problemas con transformadores de aislamiento
Vamos a revisar algunas de las alternativas a la eliminación o derrotar a las características de seguridad. Consideremos en primer lugar un aislamiento del transformador . El aislamiento de tierra en la seguridad puede parecer una gran idea para minimizar el ruido en el circuito. Sin embargo, hay alternativas mejores. Por ejemplo, un transformador de aislamiento se puede utilizar para aislar la línea de alta tensión. Recuerde revisar siempre el aislamiento del transformador de aislamiento con un ohm metro y verifique la resistencia entre la entrada y la salida de bobinas. Estos sencillos pasos pueden salvarle la vida. Transformadores de aislamiento más caro incorporar escudos Faraday, un escudo electrostático que ayuda a reducir el ruido de la transferencia a través del transformador. El transformador debe ser lo suficientemente grande como para llevar el poder de todo lo que usted necesita aislar mínimamente, el dispositivo bajo prueba (DUT), una fuente de alimentación, un osciloscopio y un analizador de espectro. El osciloscopio puede ser utilizado como un amplificador o un convertidor de impedancia para pasar de una sonda de alta impedancia a baja impedancia de salida. Muchos ámbitos tienen una salida vertical que puede ser conectado a un analizador de espectro. Si la impedancia de entrada aún más alta que la que se necesita, una potencia activa FET sonda de osciloscopio se puede añadir. Una alternativa a un transformador de aislamiento es un sistema de alimentación ininterrumpida ( UPS ). Asegúrese de que el UPS tiene una salida de energía limpia. Los UPS baratos donde la onda cuadrada o modificada salidas de onda sinusoidal. Los tiempos de subida de estos productos puede introducir ruido en la configuración de prueba. Es necesario utilizar la batería del SAI, sin tener que conectarse a la toma de corriente. Por lo tanto, el SAI, tiene que ser lo suficientemente potente como para impulsar todos sus equipos de prueba. La forma más fácil de verificar que el UPS, es adecuada para su diseño es para la alimentación del osciloscopio normalmente a partir de una toma de corriente. Con la sonda en corto, aumentar la ganancia y tenga en cuenta tanto el ruido y el ruido de fondo en el analizador de espectro. A continuación, conecte a su SAI, y ver si se agrava la de ruido. Si el ruido es excesivo, una UPS más cara con una verdadera salida de onda sinusoidal puede ser necesaria. Ahora que hemos observado "la seguridad primero", se puede proceder con la prueba.
La protección de la alimentación y tierra
Ahora vamos a presentar ideas para ayudar a salvar el sistema y el sistema-en-un-chip de los diseños (SOC), haciendo cambios en el circuito externo. Vamos a enumerar las ideas y se refieren a otras fuentes para obtener información detallada. Nota de aplicación 4345, " bien fundamentada, es analógico digital ", analiza los motivos y planos de energía. Vamos a ampliar los conceptos. diafonía y relación señal a ruido se expresan como cocientes, una proporción de bueno a malo. ¿Cómo se puede mejorar la relación señal a ruido de una señal? Si hay un circuito en particular que han contribuido mucho ruido, podemos hacer dos cosas: primero, reducir el ruido de alguna manera, o en segundo lugar, aumentar la amplitud de la señal de buena antes de pasar por el escenario. (Vamos a discutir la segunda opción en la nota de solicitud de 4993, " reducir las posibilidades de errores humanos: Parte 2, Amp Super Filtros de interfaz analógica . ") Figura 1 ilustra el concepto. Figura 1. Fuente de alimentación o el ruido de tierra que se añade a la señal. Deberíamos revisar algunos artículos básicos de limpieza. ¿Cuál es el nivel de señal y ancho de banda de entrada, y qué es lo que deben ser lo que sale de esta etapa? ¿Cuál es la amplitud y el ancho de banda del ruido (con suerte, ¿cuál es su fuente )? Es que los armónicos de una fuente de alimentación conmutada? En primer lugar, concentrarse en el ruido de la fuente. Probemos con el filtro de paso bajo el ruido de la inserción de resistencias e inductores en serie con la alimentación y los condensadores a tierra. ¿Qué tan lejos (bajo) en la frecuencia de dónde podemos llegar? Realmente sólo quiero DC pura de la fuente. Podríamos utilizar inductores y capacitores infinitamente grande. Eso no es práctico, sin embargo, debido a que el tiempo de carga constante es también infinitamente largo. Alternativamente, podríamos encender el dispositivo y envejecer antes de que se va. En la práctica, el tamaño y el costo de los inductores y los condensadores son los verdaderos límites. Por lo tanto, queremos saber las características de frecuencia del ruido. Si se trata de 50kHz y alta debido a cambio de la oferta y si nuestra señal deseada es de 1 kHz, luego de filtrado puede ser factible. Si vamos a ir a un ADC siguiente, el anti-aliasing de filtro puede ayudar. (Vea la nota de aplicación 4993 para la discusión adicional de este tema.)
La tierra local
Debemos dejar de pensar en "tierra" como un agujero negro absoluto que lo consume todo. Nota de aplicación 4292, " ¿Dónde está la tierra? " nos ayuda a darnos cuenta de que el concepto tierra es relativo. Un circuito en una nave espacial tiene un local de referencia que llamamos tierra. Que el circuito funciona perfectamente, a pesar de que el potencial de la nave espacial no es lo mismo que la tierra. Los británicos en su Inglés, la palabra "tierra" es usualmente traducido como "tierra de seguridad", en América del Norte. El circuito de nave espacial no se preocupa por tales diferencias semánticas ya que el circuito sólo se reconoce la diferencia entre el suelo local y la tensión de alimentación.
La disociación y la homogeneización
Ahora trate de visualizar el papel de un condensador en la disociación en el circuito de nave espacial. El condensador (en las frecuencias altas) hace que el ruido en el partido de tensión que en el terreno local. Se "homogeneiza" el ruido. Homogeneización de la mezcla de partículas es pequeño, como en la leche. Las fuerzas de la homogeneización de leche a alta presión a través de pequeños agujeros. Esto rompe las partículas de grasa de la leche en tamaños muy pequeños que tienen mayor superficie y son más resistentes a la separación y la formación de grumos. En la analogía eléctrica, el ruido de alta frecuencia viaja en ambos sentidos a través del condensador: de la tensión de alimentación a tierra y desde el suelo la tensión de alimentación. Debido a que arbitrariamente llamamos tierra a la referencia, puede parecer que la tierra es siempre "limpia" de ruido. Para medir esto, de hecho estamos midiendo la diferencia entre el poder y la tierra, al igual que el circuito en la nave espacial, y esto nos hace felices. Si sólo se miden en comparación con otra referencia, entonces podemos estar descontentos con el ruido. Refiérase a la nota de aplicación 4345, " bien fundamentada, es analógico digital ", y la sección titulada Selección de condensadores para la aplicación en la propia resonancia de condensadores se discute. Enlaces para los dos, sin SPICE resonancia programas de auto-se encuentran en Calibración, Ajuste y Ajuste . Tenga en cuenta que el condensador no es un condensador puro, pero tiene inductancia en serie y la resistencia, entre otras características. Por encima del punto de auto-resonancia de los actos de condensadores como un inductor, sin embargo, la acción desacoplamiento sigue siendo efectiva por un tiempo superior al punto de auto-resonancia. La resistencia en serie en los cables, los rastros, y vías en la ruta de la fuente de alimentación actúa con la impedancia del inductor (una pequeña parte de un ohm justo por encima de la auto-resonancia) como un divisor de voltaje hasta que los inductores "se eleva la resistencia equivalente serie. Nota de aplicación 883, " Mejora de rechazo de fuente de alimentación para los Reguladores de IC lineal ", presenta varios conceptos importantes. Mira las relaciones de rechazo fuente de alimentación (PSRR), para los reguladores lineales y referencias de tensión en sus fichas técnicas correspondientes. A continuación, medir el ruido y el ancho de banda que la fuente de alimentación (normalmente una fuente de alimentación conmutada ) exhibe. De un prototipo, aislar las fuentes de ruido y determinar el método de intrusión. Hemos visto el ruido irradiado en un acto rastro a bordo como una antena de radio, o el campo magnético se extiende de un transformador de potencia entrar en una bobina. El ruido de los circuitos externos y fuentes también pueden contaminar el poder y la tierra de la fuente de alimentación. Una batería de 12 V del automóvil y un regulador lineal constituyen una herramienta relativamente tranquila y barata para comparar los niveles de ruido en circuitos de baja tensión. Nota de Aplicación 883 sugiere varias maneras de filtro de la energía para eliminar el ruido. El primer método utiliza una o varias cascadas de filtros externos RC. Figura 2 muestra el espectro de software Micro-Cap simulador de circuitos con un filtro de cascada de segundo orden de paso bajo y su respuesta de frecuencia. Un enlace a la versión de evaluación gratuita Microcap se puede encontrar en Calibrar, recortar y ajustar . imagen más detallada(PDF, 1.52MB) Figura 2. La respuesta de frecuencia de un segundo orden del filtro RC. Nota de aplicación la segunda sugerencia de 883, para el filtrado de potencia para eliminar el ruido es un filtro LC. Este enfoque propone filtros de entrada igual y las resistencias de salida de terminación. Este diseño provoca una pérdida de gran potencia para amortiguar el filtro. Las matemáticas para hacer terminaciones desiguales está fuera del alcance de esta nota de aplicación. Figura 3 utiliza un programa gratuito de diseño de filtros para producir las terminaciones desiguales necesario. Un enlace con el programa de filtro libre de Tecnologías de la Nuhertz se encuentra en Calibrar, recortar y ajustar . imagen más detallada (PDF, 1.63MB) Figura 3. Un programa de diseño de filtros que permite resistencias desiguales de terminación. Este programa permite que un filtro práctico para ser fácilmente realizada. Un RC y un filtro LC pueden conectarse en cascada y simulados en el programa de Micro-Cap. La tercera sugerencia de la nota de aplicación 883 es en cascada dos reguladores lineales. El segundo regulador podría ser un muy bajo nivel de ruido de referencia de voltaje para cargas ligeras. Nota de aplicación 3656, " solo transistor reduce el ruido de 46dB LDO , "utiliza un filtro RC de paso bajo para reducir el ruido. Notas de aplicación 3657, " Ultra-Low-Noise LDO logra 6nV / √ Hz Rendimiento de ruido ", y 2027," Métodos sencillos Reducir ondulación de entrada para todas las bombas de carga ", ambos utilizan filtros LC.
Alcance de tierra de la sonda
Incluso un clip de tierra de 3 pulgadas puede ser un problema. Si el clip de tierra tiene que ser cambiado a otro punto de tierra entre las mediciones, los resultados pueden no ser las mismas. Por lo tanto, en primer lugar ir a buscar en el cajón de laboratorio para la pequeña bolsa de plástico que viene con la sonda de osciloscopio. En la bolsa son de aspecto extraño, piezas de metal para hacer las conexiones de corto terreno que se colocan en la sonda después de la cubierta aislante se elimina. Tektronix ® cuenta con artículos sobre sondas en el ámbito www.tek.com/learning/probes-tutorial/ . He aquí un truco que utilizamos en Maxim. Hacer una herramienta pulsando una aguja de coser en el extremo de un trozo de madera ( Figura 4 ). Figura 4. Una herramienta simple para la inserción de un terreno en una sonda de osciloscopio. Quite el cable de tierra y pinzas de cocodrilo. Retire la tapa de punta de la sonda de plástico. La mayoría de las sondas tendrá la manga de tierra al descubierto. Hacer que tierra lo más cerca posible al circuito. Si es difícil conseguir que la plataforma de la señal, una segunda aguja de disección se puede utilizar para extender la punta de la sonda alcance. Consideremos un ejemplo. Mira a través de un condensador de desacoplamiento para ver qué tan efectiva es. Lo ideal sería que el capacitor debe verse como una breve y no debe ser muy poco ruido en el rango de frecuencia del condensador. Anteriormente hemos mencionado condensadores de desacoplamiento y dos programas de SPICE que nos puede ayudar a visualizar su eficacia.Figura 5 es una captura de pantalla del programa de Kemet ®. Aquí 0.1μF condensadores auto-eco a unos 15 MHz, por encima de 15MHZ son inductores y ya no funcionan como condensadores de desacoplamiento. imagen más detallada (PDF, 447KB) Figura 5. La impedancia y la resistencia en serie equivalente de un condensador 0.1μF.
Márgenes
Margen es una técnica para las pruebas de componentes electrónicos. Algunos ingenieros se compara con el espacio alrededor del texto en una página y el margen en el papel significa que el texto estará en la página, incluso si hay una tolerancia en la alineación del texto-a-papel. La técnica de márgenes ha existido durante mucho tiempo, pero últimamente ha ganado popularidad en el campo de la informática. Algunos ingenieros encontraron que el aumento de la tensión de alimentación permitiría a algunos circuitos correr más rápido, es decir, si no sobrecalentarse y fallar. Los Fabricantes han comenzado a hurgar en la basura o la clasificación de sus juntas en grupos de velocidad, la venta de las tarjetas más rápidas a un precio superior. Como están las cosas evolucionaron, los fabricantes también se enteró de que al cambiar la tensión de alimentación, la fiabilidad de un consejo podría ser evaluada. Estribos poco cerca de los márgenes de tolerancia indicados en acumulación, que presenta más oportunidades para el fracaso. En consecuencia, de márgenes ha convertido en un final común, el procedimiento de prueba, es decir, repetir las pruebas a las tensiones de poco más alta y más baja. Nota de aplicación 4149, " Cómo agregar la capacidad de Margen para un convertidor DC-DC ", detalla un método para agregar márgenes con DAC actual. Potenciómetros digitales también son útiles para encendido remoto de voltaje y ajuste de márgenes. Ver las notas de aplicación siguiente para obtener más información sobre este tema:
Fuentes de alimentación
Las fuentes de alimentación son siempre críticos. Entender los suministros de conmutación y la variedad de diseños disponibles será muy útil. Para más información sobre este tema, vea:
- Nota de aplicación 2031, " DC-DC Tutorial "
- Nota de aplicación 4596, " Mejorar el rendimiento de dos fases convertidor Buck con una topología de acoplamiento-Choke "(esto reduce la fluctuación)
- Nota de aplicación 2391, " Seguimiento de doble circuito de tensión para los voltajes básicos de E / S, Microprocesadores y DSP . "
EE-Sim de la máxima herramienta ® genera un esquema interactivo que cuenta con un motor de simulación de alta eficiencia. El software de EE-Sim contiene 25 condensador de conmutación de los programas de filtro y 25 circuitos de potencia (hasta febrero de 2011) y otros están siendo añadidos. No podemos dejar el tema de las fuentes de alimentación sin decir una palabra sobre las consideraciones térmicas. Ver notas de aplicación 4083, "Caracterización térmica de los paquetes de IC , "y 4456" Entender los aspectos de reducción de potencia térmica de los circuitos integrados PWM para garantizar el mejor rendimiento del sistema . "
Fuentes de ruido de conmutación de alimentación
Fuentes de alimentación conmutadas han recibido una mala reputación por ser ruidosos. Algunas críticas que se merece, y algunos no lo es. Muchas veces la misma fuente IC poder en manos de un ingeniero experimentado no tendrá ningún problema. Muchos gerentes por error relegar a las fuentes de alimentación para el ingeniero de nuevo, ya que son "fáciles" para el diseño in "Simplemente conecte el IC como la hoja de datos dice," y debería funcionar.Hemos visto las pesadillas de diseño, pero después el ruido fuerte de repente se fija cuando un diseñador experimentado gira un componente sólo un octavo de pulgada y por lo tanto engorda un rastro de tierra. Más a menudo se necesita trabajar más para eliminar el ruido, pero la solución es arraigada en el conocimiento de las corrientes que fluyen alrededor del chip y, sobre todo en el terreno. Las notas después de la aplicación ayudará a cualquier ingeniero que carece de la exposición a diseño analógico:
- 1167, " Aspectos prácticos de la protección EMI "
Desafíos especiales de fuentes conmutadas, Audio y Radio
Muchas veces es útil observar ejemplos muy difíciles de entender los conceptos. Fuentes de alimentación, audio y radio son ejemplos tan difícil. Las fuentes de alimentación tienen problemas debido a las altas corrientes y el cambio rápido de los tiempos de subida y caída. Audio tiene relación señal-ruido de los problemas, porque el oído humano tiene un amplio rango dinámico . Las radios tienen que extraer las señales de los ruidos, muchas veces el móvil parte las pérdidas son más de 100 dB. Dos notas de aplicación hincapié en estos asuntos: 3630, " la fuente de alimentación y de tierra de diseño de un transmisor-receptor Wi-Fi ® , "y 4079", minimizar el ruido en el audio canales con Smart Layout PCB ".
Estrella de tierra y control de la corriente de retorno
Volvemos ahora a la nota de aplicación 4345, "bien fundamentada, es analógico digital." Este artículo dispone un poco de alivio cómico para demostrar simple, pero eficaz, de tierra estrella y devolver el control actual.
Conclusión
Ingenieros sin duda sería feliz si tuviéramos un método de molde para solucionar cada problema de ruido. Pero el diseño de ingeniería no es tan fácil. Incluso los diseñadores analógicos con plan de por lo menos en tres PC Junta de diseños, e incluso entonces un masaje en el diseño antes de entrar en una fase de producción piloto. Esperamos que estas técnicas le ayudarán a pensar directamente hacia formas de solucionar los problemas de energía y el suelo durante el proceso de diseño. EE-Sim es una marca registrada de Cypress Semiconductor, Inc. Kemet es una marca registrada de KRC Promotora del Comercio. Tektronix es una marca registrada y marca de servicio registrada de Tektronix, Inc. Wi-Fi es una marca registrada de Wi-Fi Alliance Corporation.
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