Redukcja interferencji elektromagnetycznych
| TechnikaProblem interferencji elektromagnetycznych staje się coraz bardziej istotny wraz ze wzrostem częstotliwości zegarowych w niemal wszystkich urządzeniach elektronicznych. To cena, jaką płacimy za coraz większą moc obliczeniową, funkcjonalność i wygodą obsługi. Jeśli dodatkowo wziąć pod uwagę liczbę otaczających nas urządzeń, staje się jasne, że zagadnienie interferencji to stało się obiektem badać międzynarodowych organizacji standaryzujących, takich jak FCC czy EEC.
Sygnały zegarowe są wszechobecne w urządzeniach elektronicznych. To one stanowią główne źródło niepożądanego promieniowania. Idealny sygnał zegarowy ma postać przebiegu prostokątnego o stałej częstotliwości. Może być zgodnie z twierdzeniem Fouriera przedstawiony w postaci nieskończonej sumy sinusów:
U(t) = U0 + sin(ωt) + (1/3)sin(3∙ωt) + (1/5)sin(5∙ωt) +…+ (1/(2n+1))∙sin((2n+1)∙ωt),
gdzie ω = 2πf, a f to częstotliwość.
Na rysunku 1 widoczny jest przebieg prostokątny i kilka jego harmonicznych. W tym przykładzie U0 jest wartością średnią sygnału (DC). Im więcej częstotliwości harmonicznych sumujemy, tym lepiej odwzorowywany jest przebieg prostokątny. Widmo sygnału w dziedzinie częstotliwości na podstawie jego przebiegu czasowego można również oszacować w inny sposób. Tę metodę pokazano na rysunku 2, gdzie widoczny jest sygnał okresowy o przebiegu trapezowym, reprezentujący zegar systemu cyfrowego.
Najważniejszą informacją z punktu widzenia analizy widmowej są wartości częstotliwości granicznych charakterystyki amplitudowej. Pierwszym punktem charakterystycznym jest punkt f0, odpowiadający częstotliwości podstawowej sygnału. Poziom generowanych interferencji jest z reguły największy na częstotliwości podstawowej. Drugim punktem charakterystycznym jest punkt f1 (pierwsze załamanie charakterystyki amplitudowej). Wartość f1 jest odwrotnie proporcjonalna do czasu trwania stanu wysokiego przebiegu czasowego. Począwszy od tej częstotliwości, amplituda promieniowania jest tłumiona ze współczynnikiem 20dB na dekadę.
Trzecia częstotliwość charakterystyczna (drugie załamanie charakterystyki amplitudowej) jest odwrotnie proporcjonalna do czasu narastania lub opadania (krótszego z nich) przebiegu w dziedzinie czasu. Poczynając od tej częstotliwości, amplituda promieniowania tłumiona jest ze współczynnikiem 40dB na dekadę.
Zmniejszenie współczynnika wypełnienia lub czasu narastania sygnału zwiększa szerokość pasma emitowanych interferencji; wartości f1 i f2 zwiększają się.
Widmo prostokątnego sygnału zegarowego oprócz silnego prążka na częstotliwości podstawowej ma prążki na częstotliwościach harmonicznych. Gdy wypełnienie przebiegu wynosi 50%, prążki występują tylko na częstotliwościach będących nieparzystymi harmonicznymi częstotliwości podstawowej (3, 5, 7,...). W ogólnym przypadku liczba harmonicznych jest nieskończona, a ich energię w stosunku do energii sygnału na częstotliwości podstawowej można oszacować. W praktyce liczba istotnych harmonicznych jest ograniczona ze względu na dolnoprzepustowy charakter systemów elektronicznych.
