Паразитные колебания

Паразитные колебания — это нежелательные электронные колебания (циклические изменения выходного напряжения или тока) в электронном или цифровом устройстве. Часто это вызвано обратной связью в усилительном устройстве. Проблема особенно актуальна в РФ . ^[1] аудио и другие электронные усилители ^[2] а также в цифровой обработке сигналов . ^[3] Это один из фундаментальных вопросов, решаемых теорией управления . ^[4]^[5]^[6]

Паразитные колебания нежелательны по нескольким причинам. Колебания могут быть связаны с другими цепями или излучаться в виде радиоволн , вызывая электромагнитные помехи (ЭМП) для других устройств. В аудиосистемах иногда можно услышать паразитные колебания в виде раздражающих звуков в динамиках или наушниках. Колебания тратят энергию и могут вызвать нежелательный нагрев. Например, усилитель мощности звука, в котором возникают паразитные колебания, может генерировать мощность, достаточную для повреждения подключенных динамиков . Колеблющаяся схема не будет усиливаться линейно, поэтому полезные сигналы, проходящие через каскад, будут искажаться. В цифровых схемах паразитные колебания могут возникать только на определенных логических переходах и могут приводить к неустойчивой работе последующих каскадов; например, каскад счетчика может воспринимать множество ложных импульсов и считать ошибочно.

Причины

Паразитные колебания в каскаде усилителя возникают, когда часть выходной энергии подается на вход с правильной фазой и амплитудой, обеспечивающими положительную обратную связь на некоторой частоте. Соединение может происходить непосредственно между входной и выходной проводкой с помощью паразитной емкости или взаимной индуктивности между входом и выходом. В некоторых твердотельных или вакуумных электронных устройствах внутренняя емкость достаточна для обеспечения пути обратной связи. Поскольку земля является общей как для входа, так и для выхода, выходной ток, протекающий через сопротивление заземления, также может передавать сигналы обратно на вход.

Аналогичным образом, импеданс источника питания может связывать вход с выходом и вызывать колебания. При использовании общего источника питания для нескольких каскадов усиления напряжение питания может меняться в зависимости от изменения тока в выходном каскаде. Изменения напряжения источника питания будут отображаться на входном каскаде как положительная обратная связь. Примером может служить транзисторный радиоприемник , который хорошо работает со свежей батареей, но визжит или « моторкает », когда батарея старая.

В аудиосистемах, если микрофон расположен близко к громкоговорителю, могут возникнуть паразитные колебания. Это вызвано положительной обратной связью от выхода усилителя к громкоговорителю, звуковым волнам и обратно через микрофон ко входу усилителя. См. Аудиоотзыв .

Условия

с обратной связью Теория управления была разработана для решения проблемы паразитных колебаний в системах сервоуправления - системы колебались, а не выполняли свою предназначенную функцию, например, управление скоростью в двигателях. Критерий устойчивости Баркгаузена дает необходимое условие колебаний; коэффициент усиления контура обратной связи, равный коэффициенту усиления усилителя , умноженному на передаточную функцию пути непреднамеренной обратной связи, должен быть равен единице, а фазовый сдвиг вокруг контура должен быть равен нулю или кратен 360° (2π радианы ).

На практике обратная связь может возникать в определенном диапазоне частот (например, в рабочем диапазоне усилителя); на разных частотах фаза усилителя может быть разной. Если есть одна частота, на которой обратная связь положительна и условие амплитуды также выполнено, система будет колебаться на этой частоте.

Эти условия можно выразить математически с помощью графика Найквиста . Другой метод, используемый в теории контура управления, использует графики Боде зависимости усиления и фазы от частоты. Используя графики Боде, инженер-конструктор проверяет, существует ли частота, на которой выполняются оба условия колебаний: фаза равна нулю ( положительная обратная связь ) и коэффициент усиления контура равен 1 или больше.

При возникновении паразитных колебаний проектировщик может использовать различные инструменты проектирования контуров регулирования, чтобы исправить ситуацию – уменьшить коэффициент усиления или изменить фазу на проблемных частотах.

смягчение последствий

Для предотвращения паразитных колебаний используется ряд мер. Цепи усилителя проложены так, что входные и выходные провода не соседствуют, что предотвращает емкостную или индуктивную связь. Металлический экран может быть установлен на чувствительных участках цепи. Развязывающие конденсаторы можно установить в соединениях источника питания, чтобы обеспечить путь с низким импедансом для сигналов переменного тока и предотвратить межкаскадную связь через источник питания. При использовании печатных плат каскады высокой и малой мощности разделены, а обратные дорожки заземления расположены так, чтобы сильные токи не протекали во взаимно общих частях дорожки заземления. В ряде случаев проблему можно решить только введением другой схемы нейтрализации обратной связи , рассчитанной и настроенной на устранение отрицательной обратной связи в полосе пропускания усилительного устройства. Классическим примером является схема нейтродина , используемая в настроенных радиочастотных приемниках .

См. также

Июнь 2009 г. Столкновение поезда в метро Вашингтона , фатальная авария поезда, вызванная паразитными колебаниями в сигнальных цепях. ^[7]

Ссылки

^ Уитакер, Джерри К. (2005). Справочник по электронике . ЦРК Пресс. п. 404. ИСБН 978-0-8493-1889-4 .
^ Вебер, Джеральд (1994). Настольный справочник модных винтажных гитарных усилителей . Хэл Леонард. п. 220. ИСБН 978-0-9641060-0-0 .
^ Ванхаммар, Ларс (1999). Интегральные схемы DSP . Академическая пресса. п. 188. ИСБН 978-0-12-734530-7 .
^ Ричард Р. Спенсер и Гаузи М.С. (2003). Введение в проектирование электронных схем. Река Аппер-Сэддл, штат Нью-Джерси: Прентис Холл / Пирсон Эдьюкейшн. стр. 661. ISBN 0-201-36183-3 . http://worldcat.org/isbn/0-201-36183-3 .
^ Араки, М., ПИД-регулирование, http://www.eolss.net/ebooks/Sample%20Chapters/C18/E6-43-03-03.pdf.
^ П. Горовиц и В. Хилл. Искусство электроники Издательство Кембриджского университета (1980), Глава 3, касающаяся операционных усилителей.
^ Национальный совет по безопасности на транспорте (27 июля 2010 г.). Столкновение двух поездов метрополитена столичного округа Вашингтона возле станции Форт-Тоттен (PDF) . Национальный совет по безопасности на транспорте. п. хи . Проверено 19 ноября 2020 г. .

[1] Уитакер, Джерри К. (2005). Справочник по электронике . ЦРК Пресс. п. 404. ИСБН 978-0-8493-1889-4 .

[2] Вебер, Джеральд (1994). Настольный справочник модных винтажных гитарных усилителей . Хэл Леонард. п. 220. ИСБН 978-0-9641060-0-0 .

[3] Ванхаммар, Ларс (1999). Интегральные схемы DSP . Академическая пресса. п. 188. ИСБН 978-0-12-734530-7 .

[4] Ричард Р. Спенсер и Гаузи М.С. (2003). Введение в проектирование электронных схем. Река Аппер-Сэддл, штат Нью-Джерси: Прентис Холл / Пирсон Эдьюкейшн. стр. 661. ISBN 0-201-36183-3 . http://worldcat.org/isbn/0-201-36183-3 .

[5] Араки, М., ПИД-регулирование, http://www.eolss.net/ebooks/Sample%20Chapters/C18/E6-43-03-03.pdf.

[6] П. Горовиц и В. Хилл. Искусство электроники Издательство Кембриджского университета (1980), Глава 3, касающаяся операционных усилителей.

[7] Национальный совет по безопасности на транспорте (27 июля 2010 г.). Столкновение двух поездов метрополитена столичного округа Вашингтона возле станции Форт-Тоттен (PDF) . Национальный совет по безопасности на транспорте. п. хи . Проверено 19 ноября 2020 г. .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]