Nhiễu điện tử và các phương pháp chống nhiễu

Nhiễu điện từ phương pháp chống nhiễu Tài liệu tham khảo TS NGUYỄN THỊ LAN HƯƠNG Nội dung giảng dạy CHƯƠNG KHÁI NIỆM VỀ NHIỄU VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG VỀ NHIỄU (3) CHƯƠNG II CÁC NGUỒN NHIỄU CƠ BẢN TRONG MẠCH ĐIỆN TỬ (8) Nhiễu điện từ.; Tiếng ồn dạng Shot dạng Flieker.; Nhiễu Diot.; Nhiễu PJT; Nhiễu FET; Nhiễu OPAMP CHƯƠNG III NHIỄU TRONG HỆ THỐNG THU THẬP VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU (19) Sự tương tác điện từ; Phân biệt tín hiệu nhiễu.; Biến đổi đồng pha thành đối pha.; Hệ số nén đồng pha; Khuếch đại cách ly; Các nguồn nhiễu hệ thống mạch thiết bị; Lọc nhiễu; Bảo vệ áp xung nhiễu hệ thống; Nguồn cung cấp chống nhiễu Ron Manini: OpAmps for Everyone, Texas Instruments,2002 Instroduction to Electromagnetic Compatibility, CLAYTON R PAUL, Wiley InterScience Gregory K.McMillan: Process/Industrial Instruments and Controls Handbook, McGRAWHill ,1999 B.E Noltingk: Intrumentation Reference book, Butterworth Heinemann, 1991 Bài giảng điện từ trường Chương Khái niệm nhiễu đặc trưng nhiễu điện từ Khái niệm Các nguồn Đặc trưng 1.1 Khái niệm nhiễu Nguồn nhiễu điện từ Nhiễu đại lượng vật lý không mong muốn tác động lên đối tượng Từ phát sóng Radio, truyền hình, nguồn sóng điện thoại dải tần số cao rộng Các nguồn số ánh sáng, rơ-le, motor, nguồn phóng xạ Nguồn tần số thấp điện áp cao truyền dẫn điện vấn đề nhiễu điện từ Nguồn nhiễu: nguồn tín hiệu Đại lượng nhiều đối tượng việc /không nhiễu đối tượng việc Nhiễu có độ lớn pha ngẫu nhiên Nhiễu điện từ: Nguồn nhiễu xuất phát từ nguồn điện từ khác 1.2 Đặc tính nhiễu Phân bố theo phân bố chuẩn Nhiễu nhiễu đầu vào tín hiệu Tỉ số tín hiệu nhiễu rms ( S (t )) = rmsN (t ) Đơn vị nhiễu thường tính Hoặc V/√Hz A/ √Hz Phân bố Gausse lượng nhiễu Nguồn phát Truyền dẫn Nhận sóng Ví dụ Hệ thống điện tử ln có q trình truyền tin đường cáp: Nguồn nhiễu (a) Nguồn nhiễu từ bên (b) Nguồn nhiễu nội bên phần tử (c), (d) Ví dụ 1.3 Một số tính điện, từ chống nhiễu Điện : định luật Kirchhoff Từ: định lý Maxell Truyền sóng dây dẫn: Truyền sóng dây dẫn Thơng số dây dẫn thay đổi theo tín hiệu đầu vào Chương Nhiễu mạch điện tử Các nguồn nhiễu Đặc điểm nguồn nhiễu Chiến lược chống nhiễu 2.2 Nhiễu linh kiện - Nhiệt nhiễu 13 ồn Johson (nhiệt) điện trở ồn Schottky (hạt) điốt Veff = 4k TR B I eff = v (t ) = σ = 4k TR B 2 v I sh = 2qI B Vsh = I sh R = 2qI R B ồn pop-corn Về giống nguồn nhiễu Jonhson Vì điện tử chuyển động liên tục phần tử Phân bố thường (tương tự shot noise) 4kTB R ồn biến 1/f (nhấp nháy) I sc = k1 Thèvenin Norton k số Boltzman T nhiệt độ R điện trở B giải thơng I0 dòng phân cực q điện tích điện tử a b hệ số luỹ thừa bán dẫn f tần số Ia B fb Ví dụ nguồn nhiệt nhiễu Shot noise- tượng xạ 15 16 VD 1: Cho R = 1Kohm Cho B = (2 KHz đến KHz )= KHz Nhiệt độ phòng: T = 290K Vn2 = 4KTRB (V2) Vn2= (4) (1.38 x 10 –23J/K) (290K) (1 Kohm) (1KHz) = 1.6 x 10-14 V2 Vn = 1.26 x10 –7 V = 0.126 uV VD ( diot): Vn = (R/1Kohm) ½ đơn vị nV/(Hz)1/2 Cho R = Mohm nguồn nhiễu Vn = (1 x 106 / 1x 103) ½ = 126 nV/ (Hz) ½ Cho BW = 1000 Hz tìm Vn (V ) Vn = 126 nV/ (Hz) ½ * (1000 Hz)1/2 = 400 nV = 0.4 uV Một số đặc điểm nhiễu ngắn: -Thường xuất dòng điện - Nguồn phụ thuộc vào nhiệt độ Phổ tín hiệu Thơng thường xuất cuộn cảm Giá trị hiệu dụng nguồn nhiễu Ish = (2 qIdc + qI0 ) B Trong đó: q = điện tích (1.6 x 10–19 C) Idc = Dòng điện chiều (A) Io = Dòng điện ngược bão hòa Shot noise (tiếp) Ví dụ : Shot Noise 18 Điện áp nguồn nhiễu Cho I = 10 mA Cho B = (100 Hz dải 1200 Hz) = 1100 Hz In2= 2q I B = Trong = (1.6 x 10 –19Coulomb) ( 10 X10 –3A)(1100 Hz) = 3.52 x10 –18 A2 In = (3.52 x10–18 A2) ½ = 1.88 nA Hằng số Bolzman (1.38 x 10-23 J/0K) Điện tích Nhiệt độ T Idc- dòng điện trung bình Dải tần số làm việc Nhiễu nhấp nháy (fliker noise) Nhiễu màu 19 20 Đặc điểm nguồn nhiễu nhấp nháy: •Giảm tần số tăng, nên gọi 1/f •Liên quan đến dòng điện chiều qua phần tử điện tử Trong đó: •Ke Ki hệ số tỉ lệ ứng với En In Hz Nhiễu linh kiện - Tỉ số tín hiệu nhiễu = SNR 22 21 Phổ loại ồn e e Johnson f e SNR = tỉ số tín hiệu nhỏ xác định cửa khuếch đại thuật tốn mức xuất nhiễu= tín hiệu/ nhiễu Cơng suất nhiễu Pn Pn = KTB Schottky f e 1/f Pop-corn f f Hình dạng nhiễu Chỉ số nhiễu ( noise factor) Chỉ số nhiễu = tỉ số nhiệt nhiễu từ điện trở chia nhiệt nhiễu điện trở lý tưởng Fn = Pno/Pni đánh giá T = 290oK (nhiệt độ phòng) Trong Pno = cơng suất nhiễu đầu Pni = công suất nhiễu đầu vào Hình dạng nhiễu = cho ta mức độ sai khác khuếch đại so với lý tưởng NF = 10 log (Fn) Biểu thức Friis = > Sử dụng có tầng khuếch đại tín hiệu nhiễu khuếch đại trạng thái phần tử Sử dụng đẳng thức Friss để tính nhiễu tổng thể Pni =KTBG FN = F1 + Pno = KTBG + ∆N Trong ∆N = nhiễu cộng vào mạng hay đầu vào hệ thống Fn = (KTBG + ∆N ) ≈ KTBG ∆N KTBG Fn −1 F2 −1 F3 −1 + + + G1 G1G2 G1G2 G(n−1) Trong FN = nhiễu toàn Fn = hệ số nhiễu tầng thứ n ; G(n-1) = Hệ số khuếch đại tầng thứ n-1 Ví dụ : có tầng khuếch đại mà A1 có hệ số 10 hệ số nhiễu 12 , tầng A2 có hệ số khuếch đại hệ số nhiễu (6 − 1) = 12.5 FN = 12 + 10 23 24 Ví dụ ồn ồn gốc nhiệt 25 26 điện trở phát ồn Sơ đồ tương đương 50 Hz : lửa điện ? 100 Hz : chỉnh lưu ½ chu kỳ ? 50 Hz 100 Hz Ví dụ mạch RC ồn trắng Sơ đồ tương đương ồn khuếch đại thuật tốn Ví dụ Photođiốt 27 28 Các nguồn ồn khác : • ồn Johnson điện trở rd •ồn Schottky lớp chuyển tiếp PN ồn nhấp nháy coi không đáng kể tần số sử dụng điốt Người ta biểu diễn ồn khuếch đại thuật tốn : • điện áp ồn Vn • dòng điện ồn In Ir : dòng photođiốt rd : điện trở tương đương Cd : tụ lớp chuyển tiếp PN Rm Cp :tải mạch đo Vtot = (V n ồn nhiệt địên trở Sơ đồ tương đương ồn ) + 4kT Rext + I n2 Rext B Sơ đồ tương đương đơn giản hoá ồn Sơ đồ tương ồn thực tế người ta biểu diễn dòng ồn Ibd theo khả phát D điốt ibd2 = I bd2  A.S   = B  D  A mặt phẳng nhạy cảm Ví dụ SNR điốt Ví dụ cảm biến ánh sáng photodiode 29 30 Mắc theo mach hỗ tổng trở với biến đổi dòng I áp Vo Điện dung Cf đảm bảo tính ổn định khuếch đại thuật toán Sơ đồ điện Sơ đồ tương đương ồn Chú ý : tẩt quy đầu vào AOP SNR điốt dB Công suất quang tính mW Chiến lược chống nhiễu So sánh phổ ồn 32 31 Biến đổi số tương tự 14 bit AD7840 Analog Devices Biến đổi số tương tự 12 bits AD7845 Analog Devices ồn có phổ phẳng : gồm chủ yếu ổn nhiệt ổn hạt Phổ không phẳng : chủ yếu ồn nhấp nháy 1/f phối hợp với ồn nhiệt và/hoặc ồn hạt Giữ nguồn điện trở điện trở đầu vào khuếch đại thấp (đi n trở (điện tr cao đồng đ ng nghĩa tăng nhiệt nhi t nhiễu) nhi u) Giữ dải tần số (băng thông ) nhỏ phải đảm bảo tiêu chuẩn Nyquist lấy mẫu tín hiệu Chống tín hiệu nhiễu ngồi cách nối đất , bảo vệ lọc nhiễu Sử dụng nhiễu thấp đầu vào ( công thức Friis ) Một số mạch bán dẫn sử dụng nguồn cung cấp chiều (DC) Dùng tín hiệu phản hội (đạo hàm) Sử dụng phản hồi (tiếp) V1 = Vin + βVo Vo = G1 E E = Vin + βVo Vin + E Σ G1 Vo + Vo = G1 (Vin + βVo ) Vo = G1Vin + G1βVo β V 2= V1G1 + Vn V2 = (Vin + βVo )G1 + Vn Vn = Noise Vin + Σ + V1 V1G1 + G1 Σ V2 G2 V2G2 Vo B Vo Β Vo − G1G2 βVo = G1G2Vin + G2Vn Vo (1 − G1G2 β ) = G1G2Vin + G2Vn Vo = Vo (1 −G1β ) = G1Vin Vo G1 = Vin (1 − G1β ) 33 (G1G2Vin + G2Vn ) (1 − G1G β ) G1G2Vin Vo = (1 − G1G2 β ) Vo = (1 − G1G β )  G1G2 + G1  G2Vn    G1  (1 − G1G2 β )  V  Vin + n  G1  34 3.3 Đường truyền – tích hợp tín hiệu 35 Khơng có q trình SNR Sn =20 log (Vin/Vn) Có q trình SNR Ave Sn = 20 log (Vin/Vn/ N1/2) Hệ số xử lý= Ave Sn – Sn tính dB Ví dụ: tín hiệu điện não EEG uV với 100 uV tín hiệu nhiễu, q trình khơng xử lý hệ số nhiễu SNR, trình xử lý nhiễu SNR với 1000 q trình lặp lại Khơng xử lý SNR Sn = 20 log (Vin/Vn) = 20 log (5uV/100uV) = -26dB Xử lý SNR Ave Sn = 20 log (Vin/Vn/N1/2) = 20 log (5u/100u / (1000)1/2) = dB Hệ số nhận xử lý = - - 26 = 30 dB Vo = [((Vin + βVo )G1 + Vn )]G2 Vo = (G1G2Vin ) + (G1G2 βVo ) + (G2Vn ) Vo − G1βVo = G1Vin Giảm nhiễu tín hiệu trung bình Vo = V2G Truyền có dây có loại Truyền dây Truyền có dây nối đất Truyền qua cáp xoắn Cáp quang Dây xoắn Cáp đồng trục 37 38 loại phổ biến lại loại xoắn cực tín hiệu nên có khả chống nhiễu điện từ Dây dẫn quang - 39 Mở số : ON Tiết diện phản xạ : g Tần số chuẩn hoá : V Số chế độ: N Suy giảm Đặc điểm : Chùm sáng dây dẫn quang dây dẫn quan = lõi hình trụ thuỷ tinh hay chất dẻo chùm sáng phản xạ phái dây dẫn Kiểu chống nhiễu dựa vào điện cảm Dây dẫn quang- 40 Lưu lượng ; đến GBits/s hệ thống thương phẩm từ đến 50 Mbits/s với đường truyền đến 10 km chống nhiễu tốt khơng nhạy với nhiễu khơng có cảm ứng không bị ngắn mạch hệ số truyền sai : 10-9 ưu điểm : không gây nhiễu dạng xung khơng phát tín hiệu chắn sử dụng khơng cần có biện pháp phát sai Truyền dây Các điều cần phải ý 45 Chú ý đến đặc trưng đường dây truyền môi chất kiểu lọc thông thấp Phải hoà hợp đường dây đầu vào đầu để tránh phản xạ ký sinh Bọc kim đường dây (hoặc dùng đường dây không bị can nhiễu) để tránh can nhiễu (cảm ứng điện cảm điện dung) sử dụng mặt phẳng đất mạch in Sử dụng khuếch đại đo lường đầu vào vi sai Thời gian trễ Vận tốc truyền khơng khí Truyền có nối đất Truyền sử dụng cáp xoắn Vận tốc truyền Đối với vật liệu Teflon εr =2,1 =2,07 108 m/s vận tốc truyền Dây dẫn mạch in Một số điểm cần ý thiết kế mạch in 50 (a) dường dẫn trần (b) Đường dẫn mặt, có mặt đất riêng (c) đường mặt, đất riêng Một số nguồn nhiễu Nguồn điện cảm từ mạch tương tự Nguồn từ sóng điện từ tần số cao Lựa chọn vật liệu Lựa chọn đủ số lớp mạch in Tách biệt đất mạch tương tự mạch số Nguồn nhiễu 51 Conducted Emissions -nhiễu mạch tương tự tạo thơng qua kết nối cho mạch khác Điều thường không đáng kể mạch tương tự, trừ có điện áp ca0 Phát xạ - nhiễu mạch tương tự tạo ra, truyền, qua khơng khí Điều thường khơng đáng kể mạch tương tự, trừ cao tần số tín hiệu video Độ nhạy đường dẫn - nhiễu từ mạch điện nối vào mạch tương tự Mạch tương tự phải kết nối đất Tất đầu vào đầu Độ nhạy nguồn phát xạ - nhiễu nhận thơng qua khơng khí (hoặc truyền vào mạch tương tự) từ nguồn bên Mạch tương tự , nhiều trường hợp, dự lại mạch in có tốc độ cao kỹ thuật số bao gồm chip DSP Xung nhịp tốc độ cao chuyển mạch số tạo nhiễu (RFI) đáng kể Các nguồn khác nhiễu phát vô tận: nguồn cung cấp (xung) hệ thống kỹ thuật số, điện thoại di động, phát truyền hình, huỳnh quang chiếu sáng, gần máy tính, sét dơng, Ngay tín hiệu mạch tương tự chủ yếu âm tần số, RFI tạo nhiễu đáng ầu Ví dụ C.A.O mạch in 53 54 Mạch gồm có : • biến đổi tương tự số • hai mạch có mạch chia mạch nối lớp đồng Một vi điều khiển thường mạch thông minh chuỗi đo lường Vi điều khiển thực tế thường có cầu A/D có phần tương tự giải pháp xấu Giải pháp tốt : • đường dây cung cấp rộng ngắn để giảm thơng số đặc trưng • hai đất rời : tương tự số • Nút nối đất nhỏ Thiết kế card phối hợp Thiết kế card phối hợp 55 56 Bản thuyết minh ứng dụng Analog Device Note d’application de Analog Devices Ví dụ bố trí mạch in mạch số Để thiết bị có tần số cao xa đầu nối tốt Ví dụ 59 60 Vật liệu 62 63 64 Điện trở dây dẫn Sự phụ thuộc điện trở dây dẫn theo chiều dai theo tần số (skin effect) Lọc nguồn 3.3 Nối đất 68 Nối nối tiếp Alimentation 1mA Dùng mặt phẳng làm đất 10mA 100mA 0V 10m masse 10m 10mV 10m 20mV i1 i2 i3 r1 r2 r3 30mV Nối hình masse mặt phẳng đất Alimentation 10M 1mA 10mA 1A 20M 30M masse 10µV 0.2mV 30mV 5.2.1 Nhiễu cáp truyền-cảm ứng điện dung 5.2 Giảm nhiễu cho hệ thống đo điện tử 69 70 Chống nhiễu điện dung Chống nhiễu cảm ứng Dây dẫn Dây dẫn Cảm ứng điện dung hai dây C12 V1 C2m C1m R V2 = V2 V2 V1 C12 V1 C12 + C2 m + 1/[R p (C12 + C2 m )] dB C12 C1m + C2 m Cảm ứng cực đại tần số cao ω ω0 bảo vệ chống cảm ứng điện dung 71 a Echelle logarithmique Chống nhiễu- Bọc kim chắn 72 C b C1e V2 V1 Truyền nhiễu qua điện dung ký sinh Diện dung ký sinh Vem Cem Mesure Capteur Đất chuẩn bảo vệ dây dẫn nhờ chắn Đất chuẩn Blindage équipotentiel R Không 5.2.2.cảm ứng điện cảm Cảm ứng thành bọc kim 73 74 écran L1 1 Ce1 I1 Ce2 V1 M C12 R1 V2=pMI1 L2 C2m R Cem cảm ứng thành tụ ký sinh C12, C2m Ce2 Cảm ứng thường xem không đáng kể Bảo vệ (1) 75 tải cách điện nối đất R2 R V2 = pMI1 M hỗ cảm Bảo vệ (2) 76 Nguồn cách điện với đất Sử dụng khuếch đại cách ly Chắn nhiễu 77 Màu xanh : dây nối với đất vi sai Màu đỏ: dây nối đất cầu Wheatstone với khuếch đại đo lường Các hiệu ứng chắn Hiệu ứng chắn nhiễu với nguồn xa Hiệu ứng chắn nhiễu với nguồn gần Hiệu ứng che chắn Dựa kim loại Tấm chắn có độ dày t, điện dẫn σ, điện dẫn εr, điện mơi µr E lượng sóng R thể lượng sóng phản xạ, M- lượng sóng bố sung truyền qua phản xạ, A- lượng sóng bị hấp thụ Năng lượng mát thường theo hàm e mũ, thông qua hệ chiều sau δ vật liệu (bước sóng α =1/δ) Hiệu ứng chắn với nguồn nhiễu xa Các lượng Hiệu ứng chắn với nguồn nhiễu xa (tiếp) Trong số góc nội trở vùng không gian tự Hằng số tỉ lệ nội chắn Các trường sinh thực thi các điều kiện biên trường vectơ hai đường ranh giới, z ¼ z ¼ t Tính liên tục thành phần tiếp tuyến điện trường hai giao diện sau Tính liên tục thành phần tiếp tuyến từ trường hai giao diện cho Từ ta có Giải hệ phương trình ta hệ số cố sóng truyền sau Kết Độ sâu sóng điện từ: Nếu chiều dày t ta có Tính theo thang logarithm độ sâu theo Với Giải hệ phương trình ta Bảng thơng số kỹ thuật vật liệu khác Tính tốn gần Tấm chắn có độ dẫn điện tốt chắn lớn chiều sâu Mất mát phản xạ: Hệ số truyền (a) , độ dày Tính tốn mát phản xạ (tiếp) Hệ số truyền hình (b) Tỉ số truyền lúc hệ số truyền nhỏ biên giới đầu tiên, xấp xỉ hai ranh giới thứ hai Vì vậy, trường điện truyền qua biên giới (trái) Mất mát hấp thụ Phản xạ đa chiều Năng lượng E1 suy giảm theo hàm số Thông số đặc trưng cho hấp thu tính cho yếu Tổng số điện trường truyền qua tổng sơ cấp thứ cấp sóng truyền qua giao diện bên phải Tính theo dB Năng lượng theo mặt phải lượng phản xạ lại Hệ số dẫn truyền Hệ số phản xạ Ở mặt thứ Hệ số phản xạ Phần truyền qua lớp bên phải Trong Hệ số phản xạ lại Mất mát toàn thể Toàn điện trường truyền qua Hệ số hiệu ứng che chắn Tính trợ kháng bên độ dẫn tốt Và Ta Với Với Chiều sâu lớp vỏ bảo vệ Mất mát hấp thụ lượng Độ chắn với nguồn tác dụng gần Phụ thuộc vào nguồn nhiễu: Điện từ trường Điện trường Thay vào công thức ta Hai đặc điểm để tính tác động Nội trở Trở sóng Cho tồn Với khoảng cách xa 1/r ta có gần với khoảng cách Biên độ Ví dụ kiểm tra thơng số đường truyền Chương Các lọc Các lọc nói chung có dạng thơng thấp, dải thơng hạn chế giới hạn nhỏ phổ có ích tín hiệu đo ... vectơ hai đường ranh giới, z ¼ z ¼ t Tính liên tục thành phần tiếp tuyến điện trường hai giao diện sau Tính liên tục thành phần tiếp tuyến từ trường hai giao diện cho Từ ta có Giải hệ phương trình