Paul Brokaw & Jeff Barrow,
Analog Devices
הקטנת הרעש היא סוגיית תכנון משמעותית ברוב מערכות האלקטרוניות. ביחד עם אילוצי פיזור החום, השינויים בטמפרטורת הסביבה, מגבלות הממדים ודרישות המהירות והדיוק, הרעש הוא גורם הקיים תמיד, בו יש לטפל לשם תכנון סופי מוצלח. אנחנו לא דנים כאן בטכניקות להקטנת הרעש החיצוני (המגיע עם האותות) מאחר שנוכחותו היא לרוב מחוץ לבקרה הישירה של מהנדס התכנון; יש לטפל בו בתכנון האופרציונלי של המערכת בעזרת אמצעים כגון סינון, עיבוד אותות אנלוגיים ואלגוריתמים דיגיטליים.
בניגוד לכך, מניעת הרעש הפנימי (הרעש הנוצר או המתווסף בתוך המעגל או המערכת) כדי שלא ישבש את האות היא באחריות הישירה של מהנדס התכנון. מקורות רעש, אם לא מטפלים בהם מוקדם במחזור התכנון, יכולים להשפיע שלילית על הביצועים הסופיים ולמנוע את הפוטנציאל גבה-הרזולוציה של מערכת מלהגיע למימוש; במקרה הטוב ביותר, יכולים להידרש תכנון ועיבוד חוזר יקרים. אחדים מגורמי התכנון המקשרים בין הרעש לבין התנהגות המערכת נדונו במאמרים קודמים במסגרת זו 1,2,3,4,5 . כאן אנחנו ננתח את התפקיד החשוב שמשחקים הסכימה, הטופולוגיה והתסדיר (layout) הסופי של הארקת המערכת במזעור הצימוד של רעש הנוצר בתוך המעגל.
כדי לדון כראוי ברעש, אנחנו זקוקים להיבטים אחדים: חיבורי הפינים הפנימיים המעשיים של רכיב, לעומת אלה הקונספטואליים; הסכימה המוצעת עבור אותות מוארקים; והשפעות התסדיר על יצירת הרעש וקליטתו. נושאים אלה מתחלקים לשני תחומים חופפים, בהתאם לרוחב הפס של תופעות הרעש; מקורות רעש ההארקה, בעיות ופתרונות שונים בתדרים נמוכים וגבוהים. למרבה המזל, נוהלי הארקה נאותים בתחום אחד תואמים לרוב את אלה שבתחום השני.
חיבורים הדדיים בסיסיים של מגברים אופרציונליים
דיונים רבים אודות מגברים אופרציונליים מציגים אותם כהתקנים בעלי שלושה מסופים עם זוג מבואות דיפרנציאליים ומוצא יחיד (איור 1). אולם יש למדוד את מתח המוצא ביחס לנקודת ייחוס כלשהי, וזרם המוצא של המגבר חייב למצוא מעגל סגור בחזרה למגבר.
הדחייה במוד-משותף האין-סופית של מגבר דיפרנציאלי אידיאלי מפרידה בין פוטנציאלי הייחוס של המבוא והמוצא, ועכבת המבוא הגבוהה מבטלת את האפשרות של שימוש במסוף המבוא כנתיב חזרה של זרם המוצא; כך שחייב להיות מסוף רביעי, אשר אחדים מכנים “הארקה”.
כמובן, לרוב המגברים הדיפרנציאליים המשולבים אין חיבור “הארקה”; המסוף הרביעי נחשב לרוב כחיבור המשותף של ספק כוח כפול (אשר יכול גם לשרת מגברים ומרכיבי מערכת אחרים). בשעה שהוא אכן משרת פונקציה זו בתדרים נמוכים, הוא יוסיף לעשות כן רק כל עוד חיבורי הספק מציגים למגבר עכבה נמוכה (אידיאלית אפס) בכל התדרים בתוך רוחב הפס של המגבר. כאשר דרישה זו אינה ממולאת, העכבה במסופי הספק משפיעה על נתיב האות ומגוון רב של בעיות עלול להתעורר, הכוללות רעש, היענות לא טובה לתופעות מעבר ותנודות.
מגבר דיפרנציאלי מקבל אות דיפרנציאלי במלואו וממיר אותו למוצא חד-סיומת, ביחס למסוף הרביעי. איור 2 מראה את זרימת האות האמיתית המשמשת במשפחות מגברים דיפרנציאליים אחדות בסיסיות ומוכרות. מרבית הפרש המתח בין מוצא המגבר והפס השלילי מופיע על-פני קבל הפיצוי של המסכם (המבקר את היענות התדר בחוג פתוח); אם מתח הספק השלילי משתנה פתאום, המוצא של המגבר המסכם יעקוב מידית אחר מבוא ה- “+”. עם המגבר הדיפרנציאלי בתצורת חוג סגור אופיינית, אות השגיאה במבוא שואף לשחזר את המוצא, כאשר ההתאוששות מוגבלת על-ידי רוחב-הפס של המסכם.
לסוג זה של מגבר יש אולי דחיית ספק-כוח לתדר נמוך מצוינת, אולם הדחייה של ההספק השלילי מוגבלת בתדרים גבוהים יותר. מאחר ששבח המגבר הוא הגורם לשחזור המוצא, דחיית ההספק השלילי מתקרבת לאפס עבור אותות מעל רוחב-הפס של החוג הסגור.
התוצאה: מעגלים מהירים, בעלי רמה גבוהה יכולים לפעול הדדית עם המעגלים ברמה נמוכה דרך העכבה המשותפת של קו ההספקה השלילי.
ביטול הצימוד הוא לעתים קרובות הפתרון המומלץ, אולם ישנן לכך כמה דרכים גרועות ואחדות טובות יותר. קבל ביטול צימוד קרוב לספק הכוח עשוי להיות מרוחק מהמגבר בסנטימטרים רבים של מוליך, דבר הנראה כמו סליל בעל Q גבוה.
הצבת קבל ביטול הצימוד בקרבת המגבר יכולה עדיין לא לפתור את הבעיה מאחר שלצורך ביטול הצימוד הקצה השני של הקבל חייב להיות מחובר לישות המסתורית המכונה: “הארקה”.
איור 3* מראה כיצד מחובר קבל ביטול צימוד כדי למזער את ההפרעות בין הפס השלילי ופסי ההארקה. הרכיב בתדר גבוה של זרם העומס מכוון למסלול שאינו כולל כל חלק מנתיב ההארקה. לשם דוגמה של מקרה מורכב יותר, באיור 4, המגבר מזין עומס המחובר להארקה וירטואלית (מבוא של המגבר השני) וזרם העומס האמיתי איננו חוזר לאדמה. במקום, יש להזין אותו על-ידי המגבר השני דרך ההזנה החיובית שלו. ביטול הצימוד של ההזנה השלילית של המגבר הראשון אל ההזנה החיובית של השני סוגר את החוג הסגור של זרם האותות המהיר מבלי להשפיע על נתיבי ההארקה או האות.
אם מאפשרים לזרמי ההארקה להתחלק בנתיב עם אות ברמה נמוכה, הדבר עלול לגרום לבעיות. איור 5 מראה כיצד הארקה לא נאותה עלולה להפחית את ביצועי המגבר המזין נגד עומס. זרם העומס מסופק על-ידי ספק הכוח ומבוקר על-ידי המגבר. אם הנקודות A ו-B הם חיבורי “הארקה” של ספק הכוח, חיבור ההזנה ל-A עשוי לגרום שזרם העומס יחלק חלק מהמוליך עם חיבורי אות המבוא.
לדוגמה, 15 סמ’ של חוט מס’ 22 מהווים התנגדות של 8 מילי-אוהם לזרם העומס. עבור עומס של 2 קילו-אוהם, ניד (swing) מוצא של 10 וולט גורם לכ-40 מיקרו-וולט בין הנקודות המסומנות V.
אות זה נמצא בטור עם המבוא הלא-הופך ועלול לגרום לשגיאות משמעותיות: עבור מגבר בעל שבח של 8 מיליון, המשוב החיובי של 1/250,000 גורם לשגיאת שבח פי 32 מונים גרועה יותר מאשר זו הכרוכה עם שבח חוג פתוח של המגבר לבדו. בנוסף, המשוב החיובי עלול לגרום לנעילת המעגל או לתנודות עבור שבחי חוג סגור (לרוב מעל 250V/mV). אולם עכבת המשוב המשותף ניתנת לביטול על-ידי חיבור ספק הכוח לנקודה B.
במערכת מעשית, המצב מסובך יותר. מקור האות במבוא, המוצג כצף באיור 5, יכול גם ליצור זרם שצריך לחזור לספק הכוח. עם חזרת ההספק ל-B, כל זרם הזורם בעומסים נוספים אחרים מאשר R עשוי להפריע לפעולת המגבר. כאשר המגברים מחוברים בקסקדה, הסכימה באיור 6 מראה כיצד הם יכולים עדיין להזין עומסי עזר ללא צימוד משוב בעכבה משותפת. זרמי מוצא עוברים דרך עומסי העזר ובחזרה לספק הכוח דרך המוליך המשותף של הספק. מעקפים מחוברים כמוצג באיור 4 כך שהזרמים בנגדי המבוא והמשוב מוזנים מספק הכוח דרך המגברים. רק זרם מבוא המגבר עובר במוליך המשותף של האות; ההשפעה שלו קטנה וניתנת להזנחה.
חיוני להבין לאן זרמי העומס והאותות עוברים. המפתח למיטוב המעגל הוא לעקוף זרמים אלה מעל ההארקה ונתיבי אותות אחרים. המתח – המכונה ליתר דיוק הפרש הפוטנציאל-בין שתי נקודות מגדיר זרימה כזו.
הארקה עבור פעולה בתדר גבוה
שכבת “מישור ההארקה” נחשבת לעתים קרובות כחזרה הטובה ביותר עבור זרם ההספק והאותות, תוך שהוא מספק צומת ייחוס עבור ממירים, ייחוסים ותת-מעגלים אחרים. אולם, אפילו שימוש נרחב במישור ההארקה אינו מבטיח ייחוס הארקה איכותי עבור מעגלי ac.
למעגל הפשוט המוצג באיור 7, הבנוי על מעגל מודפס בעל שתי שכבות, יש מקור זרם ac ו-dc בשכבה העליונה המחובר ל-via 1 בקצה אחד ולעקבת נחושת יחידה בצורת U המחוברת ל-via 2. שני ה-vias עוברים דרך המעגל המודפס ומתחברים למישור ההארקה. בצורה אידיאלית, העכבה היא אפס והמתח המופיע על מקור הזרם צריך להיות אפס.
הסכימה הפשוטה מתחילה בקושי להצביע על הדקויות האמיתיות. אך הבנה של כיצד עובר הזרם במישור ההארקה מ-via 1 אל via 2 מבליטה את המציאות ומראה כיצד ניתן למנוע רעש הארקה בתסדירים מהירים.
כפי שניתן להניח, ובוחר בנתיב של התנגדות מזערית מ-via 1 ל-via 2. מעט זרם מתפזר, אך גם מעט זרם זורם במרחק משמעותי מנתיב זה. בניגוד לכך, זרם ה-ac אינו לוקח את הדרך של התנגדות מזערית; הוא לוקח את הדרך של עכבה מזערית, אשר תלויה בהשראות.
ההשראות יחסית לשטח החוג הנוצר על-ידי מעבר הזרם; ניתן להציג את הקשר בעזרת חוק היד הימנית והשדות המגנטיים המוצגים באיור 9. בתוך חוג, הזרם לאורך כל חלקי החוג יוצר קווי שדה מגנטי המתחברים בצורה חיובית. מחוץ לחוג, אולם, קווי השדה מחלקים שונים מתחברים בצורה שלילית; כך שהשדה מוגבל בעיקר בתוך החוג. לחוג גדול יותר יש השראות גדולה יותר; פירוש הדבר הוא שעבור רמת זרם נתונה, יש לו יותר אנרגיה מגנטית (Li2), עכבה גבוהה יותר, מאחר ש-XL=jωL, ולכן יפתח יותר מתח בתדר נתון.
באיזה נתיב יבחר הזרם במישור ההארקה? כמובן, בנתיב בעל העכבה הנמוכה ביותר. אם מתחשבים בחוג הנוצר על-ידי מוליך המישור בצורת U ומישור ההארקה, ואם מזניחים את ההתנגדות, זרם ה-ac בתדר גבוה יעקוב אחר הנתיב בעל ההשראות הנמוכה ביותר, ולכן בעל השטח הקטן ביותר.
בדוגמה הפשוטה המוצגת, החוג בעל השטח הקטן ביותר נוצר בבירור על-ידי העקיבה העליונה בצורת U וחלק ממישור ההארקה במישרין מתחתיה. כך שבעוד איור 8 מראה את נתיב זרם ה-dc, איור 10 (משמאל) מראה שהנתיב שרוב הזרם עובר בו במישור ההארקה, שם הוא מוצא את השטח המזערי, במישרין מתחת למוליך העליון בצורת U. למעשה, ההתנגדות במישור ההארקה גורמת לזרימת הזרם בתדרים נמוכים ובינוניים להימצא אי-שם בין אחורנית וישר מתחת למוליך העליון (ימין). אולם, נתיב החזרה הוא קרוב לעקיבה העליונה אפילו בתדרים נמוכים כמו 1 או 2 מגה-הרץ.
מניעת בעיות תסדיר לאחר שמבינים את נתיבי חזרת הזרם במישור ההארקה, ניתן לזהות נקודות תורפה של התסדיר המשותף ולבטל אותן. לדוגמה, באיור 11, נתיב A מזוהה כקריטי, ויש לקצר אותו ככל האפשר, להרחיקו מקווים דיגיטליים ולדאוג שיהיה חופשי מ-vias. נתיב B הוא פחות חשוב, אך הוא חייב לחצות את A. לרוב, מישור ההארקה נחתך מתחת ל-A, ואת B מעבירים דרך שני vias ומתחת ל-A.
התוצאה הבלתי-רצויה היא שמוסיפים השראות בחזרות ההארקה של שני האותות, מאחר שמישור ההארקה המקוטע גורם לשני החוגים יותר ארוכים. מאחר שנתיב A מוליך אות בעל תדר גבוה, מפל מתח מושרה יופיע על הפתח של מישור ההארקה. עבור אותות ECL או TTL טיפוסיים, מפל זה יכול להיות גדול מכמה מאות מילי-וולטים, מספיק כדי לשבש באופן חמור את ביצועי ממיר 12-ביט, 10 מגה-הרץ או יחידת 8-ביט, 20 מגה-הרץ. פיתרון פשוט הוא למקם מוליך לרוחב החתך במישור ההארקה כדי לשמור את שטח החוג קטן.
פיזור ההספק הוא נושא נוסף של דאגה. צריכים לשמור על קווי ספק הכוח בעכבה האופיינית הנמוכה ביותר האפשרית, (√L/C). כדי לשמור על יחס זה קטן, מקטינים את ההשראות ומגדילים את הקיבול על-ידי הצבת מישורי ההארקה מתחת לקווי ההספקה; את הקיבול ניתן להגדיל עוד יותר על-ידי הצבת קבלי מעקף בצורה נבחרת במקומות קריטיים, כפי שנדון מקודם. אם מדברים רק על הקיבול, לדוגמה, על-ידי הצבת קבלים של 0.1 µF על פיני הספקה כדי להקטין את העכבה שלהם, לקו הספקה בעל השראות של 30-nH השראות יהיו תנודות מרוסנות בכ-3 מגה-הרץ אחרי כל תופעת מעבר.
