نویز و مشکلات آن در مدارهای الکترونیکی و روش کاهش نویز

نویز و مشکلات آن در مدارهای الکترونیکی

خلاصه

به‌طور کلی به هر اختلالی نویز گفته می‌شود و در هر حوزه‌ای ممکن است با پدیده‌ی نویز مواجه شویم؛
مثلا آلودگی موجود در هوا یک نوع نویز محیط زیستی است چون نمی‌خواهیم باشد اما در اثر عوامل مختلف ایجاد شده و همیشه تمایل داریم آن را در میکروشیپ کاهش یا حذف کنیم.

نویز به هر گونه اختلال ناخواسته اطلاق می‌شود که بر سیگنال مفید یا عملکرد سیستم اثر می‌گذارد. در سامانه‌های الکترونیکی، نویز الکترومغناطیسی می‌تواند کیفیت سیگنال، پایداری مدار و ایمنی قطعات را کاهش دهد.
این مقاله تعاریف پایه، منابع نویز، مسیرهای کوپلینگ، اصول EMC و راهکارهای طراحی عملی برای کاهش نویز را به‌صورت ساختاریافته و فنی تشریح می‌کند.

مقدمه و چارچوب مفهومی

نویز پدیده‌ای فیزیکی-ریاضی است که در حوزه‌های مختلف از جمله مخابرات، الکترونیک قدرت، و اندازه‌گیری‌های دقیق‌ مشاهده می‌شود. در مهندسی برق، تحلیل نویز نه‌تنها شامل شناسایی منبع و مسیرهای انتقال است، بلکه به برآورد اثرات آن بر سیگنال (SNR, BER در سیستم‌های مخابراتی یا خطای اندازه‌گیری در سیستم‌های آنالوگ) و تدوین روش‌های کاهش (mitigation) می‌انجامد.
مفاهیم پایه‌ای که در این مقاله استفاده می‌شوند شامل ورودی-خروجی معادل نویز، طیف نویز (پهنای نواری، PSD)، و پارامترهای عملکردی مانند نسبت سیگنال به نویز است.

در مهندسی برق به جریان، ولتاژ یا میدان الکترومغناطیسی ناخواسته‌ای که بر سیگنال اصلی سوار شده و تشخیص سیگنال را دشوار می‌کند، نویز می‌گوییم؛ این سیگنال‌ها می‌توانند برای مدارها مخرب باشند و عملکرد آنها را مختل یا حتی باعث خرابی شوند.
بارهای الکتریکی ساکن مولد میدان الکتریکی هستند و حرکت یکنواخت بارها (جریان الکتریکی) میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند؛ اگر حرکت الکترون‌ها شتاب‌دار باشد، تشعشع الکترومغناطیسی را موجب می‌شود. بر اساس اصول الکترومغناطیس، میدان‌های الکترومغناطیسی می‌توانند ولتاژ و جریان در مدار ایجاد کنند و بالعکس.
هدف در حوزه‌ی برق کاهش میدان‌های الکترومغناطیسی و در نتیجه کاهش ولتاژ و جریان ناخواسته‌ای است که در اثر آنها در مدارها و سیستم‌ها به‌وجود می‌آید؛ این مبحث میکروشیپ در مهندسی برق EMI (Electromagnetic Interference) یا تداخل الکترومغناطیسی نامیده می‌شود.

مبانی فیزیکی نویز

انواع بنیادی نویز:

• نویز گرمایی (Johnson–Nyquist): یا نویز ذاتی ناشی از نوسانات تصادفی یا جنبش ترمودینامیکی حامل‌های بار در مقاومت‌ها؛ طیف آن سفید است و PSD آن تابع دما و مقاومت: S_v = 4kTR (V^2/Hz).
  مثلاً با افزایش دما ممکن است عملکرد یک آی‌سی دچار اختلال شود.
• نویز شات (Shot noise): یا نویز ادوات الکتریکی موجود در مدار و ناشی از عدم پیوستگی جریان حامل‌ها در قطعات نامنظم جریان (دیود، ترانزیستور) در مدار؛ PSD متناسب با جریان میانگین I: S_i = 2qI.
  مانند نویز ناشی از موتورها، سوئیچ‌ها، فرستنده‌های رادیویی، رادار microship و غیره.
• نویز فلیک (1/f noise): غالب در فرکانس‌های پایین، وابسته به مواد و فرایند ساخت.
• نویز مرکب/اختلالات جمع‌شونده: از منابع سوئیچینگ، هارمونیک‌ها، مدولاسیون و تداخل‌های گسترده‌تر.
• تشعشع و القا: حرکت شتاب‌دار بارها تشعشع الکترومغناطیسی تولید می‌کند؛ بر اساس معادلات ماکسول، میدان‌های زمانی‌متغیر می‌توانند ولتاژ و جریان القا کنند.
  نویز ناشی از اغتشاشات طبیعی و جوی مانند رعد و برق و تشعشعات خورشیدی (میکروشیپ همیشه درمعرض این تشعشعات است).

دسته‌بندی منابع نویز (جزئی‌تر)

• نویز ذاتی (Intrinsic)
• نویز گرمایی و شات، نویز ترانزیستوری و 1/f مربوط به ماده و فرایند.
• نویز ادوات و سیستم (Engineered sources)
• سوئیچینگ‌های قدرت (IGBT، MOSFET)، موتورها، کلیدها، رله‌ها، درایورها.
• منابع RF داخلی: فرستنده‌ها، بلوتوث، وای‌فای.
• ادوات الکترومکانیکی: براش‌ها، اتصالات سکه‌ای (contact bounce).
• نویز طبیعی و محیطی (Environmental)
• صاعقه، پلاسماهای فضایی، تداخل خورشیدی، نویز اتمسفری.
• نویز منتشرشده (Radiated) و نویز هدایتی (Conducted) — هر منبع می‌تواند هر دو نوع تولید کند.

مسیرهای کوپلینگ نویز (توسعۀ فنی)

کوپلینگ تشعشی (Radiative/Capacitive/Inductive)
کوپلینگ الکتریکی (کاپاسیتیو): تشدید بین دو سطح با اختلاف پتانسیل توسط ظرفیت‌های ناخواسته.
کوپلینگ مغناطیسی (اینداکتیو): القای ولتاژ در سیم‌پیچ‌ها یا مسیرها به‌واسطهٔ میدان‌های متغیر جریان.
موج‌تابشی/EMI: انتشار میدان در فضای آزاد و دریافت توسط آنتن‌ها یا مسیرهای حساس.

کوپلینگ هدایتی (Conducted)
خطوط تغذیه و زمین مشترک که نویز را بین بلوک‌ها منتقل می‌کنند.
بازگشت جریان (return currents) که مسیرهای ناخواسته ایجاد و میدان‌های مزاحم تولید می‌کنند.

مدهای زوج-زمین، مود مشترک و مود اختلافی:
مود مشترک (CM): جریان‌های هم‌فاز موجود در هادی‌ها نسبت به زمین که معمولاً از طریق فیلترهای CM کاهش می‌یابد.
مود اختلافی (DM): ولتاژ/جریان بین دو هادی در مدار.

نکات عملی برای کاهش نویز در مدار

برای کاهش نویز در مهندسی برق، مفهوم EMC (Electromagnetic Compatibility) مطرح است؛ یعنی طراحی مدارهایی که با نویزهای الکترومغناطیسی سازگار باشند و بر عملکرد مدار تأثیر نگذارند. باید ابتدا راه‌های نفوذ نویز به مدار را شناخت تا روش‌های جلوگیری را پیاده کرد.
نویز می‌تواند از دو طریق روی مدار اثر بگذارد:
کوپلاژ توسط میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی (و الکترومغناطیسی) مانند تشعشع الکترومغناطیسی: میدان‌هایی که اجزایی مانند سلف، ترانس یا سوئیچینگ ایجاد می‌کنند می‌توانند روی سایر قطعات مدار (به‌ویژه مدارهای آنالوگ و دیجیتال) نویز القا کنند.
کوپلاژ هدایتی مانند انتقال نویز از طریق خط تغذیه مشترک: نویز روی تغذیه می‌افتد و عملکرد قطعات الکتریکی را مختل می‌کند.

معیارها و استانداردها

استانداردهای آزمون و محدودیت‌ها: CISPR، IEC/EN، FCC؛ این استانداردها سطوح انتشار و حساسیت را برای تجهیزات مختلف مشخص می‌کنند.
پارامترهای اندازه‌گیری: طیف فرکانسی، سطح توان/ولتاژ، PSD، ریشتر/تایم‌دامین (burst, surge, ESD) و روش‌های سیم‌کشی مرجع.

طراحی PCB و مسیردهی برای کاهش نویز
تفکیک لایه‌های زمین و تغذیه: لایهٔ زمین پیوسته (solid ground plane) برای کاهش امپدانس بازگشت و محدود کردن میدان‌های تشعشی.
مسیر بازگشت جریان کوتاه و مستقیم: مسیرهای سیگنال باید نزدیک به لایهٔ زمین باشند تا حلقهٔ جریان کوچک بماند.
جداسازی سیگنال‌های پرسرعت و خطوط آنالوگ: کنترل جفت‌های پخش‌شده (differential pairs) و جلوگیری از تقاطع خطوط حساس و خطوط سوئیچینگ. میکرو.شِیپ.
استفاده از vias مناسب: فراهم‌کردن مسیرهای بازگشت و جلوگیری از حلقه‌های بزرگ جریان؛ اجتناب از قرار دادن vias بین سیگنال و زمین به‌گونه‌ای که مسیر بازگشت را طولانی کند.
مانیتور طول موج/انتشار: طول/اعوجاج خطوط مطابقت داشته باشد تا از تشدید غیرمطلوب جلوگیری شود.

فیلترینگ و شبکه‌های EMI

فیلترهای مود مشترک (CM chokes) برای کاهش جریان‌های مود مشترک در خطوط تغذیه.
فیلترهای RC، LC و π برای حذف نویز فرکانس بالا در ورودی و خروجی‌های حساس.
انتخاب متناسب ظرفیت‌ها: خازن‌های سرامیکی برای فرکانس‌های بالا، خازن‌های الکترولیتی/تانتالوم برای پالایش انرژی پایین‌تر.
ترتیب قرارگیری فیلترها: نزدیک به منبع نویز یا نزدیک به بار؟ بستگی به مود (CM/DM) و مسیر غالب بازگشت دارد؛ معمولاً فیلتر نزدیک مرز بین بخش‌های با نقشهٔ امپدانس متفاوت قرار می‌گیرد.

شیلدینگ و ایزولاسیون

شیلدینگ الکترواستاتیک (Faraday cages) و شیلدینگ مغناطیسی (مواد با نفوذپذیری بالا مثل μ-Metal برای فرکانس‌های پایین).
اهمیت اتصال شیلد: یک نقطهٔ زمین (single-point grounding) در فرکانس‌های پایین و چندنقطه‌ای (multi-point) در فرکانس‌های بالا؛ طراحی اتصال شیلد باید بر اساس طیف فرکانسی نویز انجام شود.
ایزولاسیون galvanic: استفاده از ترانسفورماتورهای ایزوله، اپتوکوپلرها، و مبدل‌های DC-DC ایزوله برای جلوگیری از انتقال نویز از طریق مسیرهای هدایتی.

مدیریت زمین (Grounding)

این تقسیم‌بندی به این علت انجام می‌شود که نویزهایی که در هر بخش وجود دارند ممکن است برای همان بخش اهمیت چندانی نداشته باشند اما برای بخش دیگر مهلک باشند؛ مثلاً نویز روی سوئیچ قدرت (مثل IGBT) که با دامنهٔ 20–30 ولت و فرکانس چند کیلوهرتز تولید می‌شود ممکن است برای بخش قدرت مشکل‌ساز نباشد اما از طریق زمین مشترک به بخش دیجیتال منتقل شده و مدار دیجیتال را آسیب بزند. میکروشِیپ.
زمین آنالوگ: مانند تقویت‌کننده‌ها (آپ‌امپ‌ها و ...).
زمین دیجیتال: شامل مدارهای کنترلی مثل میکروکنترلر.
زمین قدرت: شامل رله‌ها، موتورها، سوئیچ‌ها و مانند آن — این بخش بیشترین نویز را تولید می‌کند.

توپولوژی‌های زمین: STAR ground، جدا کردن زمین مدارها و تقسیم زمین به بخش‌های عملکردی (آنالوگ/دیجیتال/قدرت) با نقاط اتصال کنترل‌شده.
امپدانس زمین و اثر آن بر بازگشت جریان: کاهش امپدانس زمین در پهنای باند نویز با استفاده از سطوح زمین مناسب و کوتاه‌سازی مسیرها.
جلوگیری از حلقه‌های زمین (ground loops): طراحی مسیرها و اتصالات به‌گونه‌ای که حلقه‌های بزرگ القایی ایجاد نشود.

تکنیک‌های کاهش نویز در بخش قدرت

کنترل لبهٔ سوئیچینگ (snubbing): RC snubbers، RCD snubbers، و اسنابرهای فعال برای کاهش دامنهٔ dv/dt و di/dt در کلیدهای قدرت.
کندسازی لبه‌ها (soft switching): استفاده از تکنیک‌های ZVS/ZCS برای کاهش تلفات سوئیچینگ و ساطع‌شدن EMI.
فیلترهای EMI در ورودی تغذیه: ترکیب CM choke و فیلتر π برای حذف مود مشترک و مود اختلافی.
مدیریت جریان بازگشت موتور: استفاده از فیلترها، مقاوم‌ها و مدارهای حفاظت جهت کاهش اثر نویز موتورها.

microShip.ir

روش‌های جداسازی معمولاً شامل ترانس ایزوله، اپتوکوپلر یا استفاده از مبدل‌های ایزولهٔ DC-DC است که سطوح ولتاژ و مسیرهای جریان را از هم جدا می‌کنند.

قطعات و انتخاب اجزا

انتخاب آی‌سی‌ها و درایورها با مشخصات EMI بهتر.
استفاده از خازن‌های بای‌پس نزدیک پین‌های تغذیه (decoupling)؛ همواره یک خازن با امپدانس کم در فرکانس‌های بالا در کنار خازن‌های با ظرفیت بالاتر قرار دهید.
انتخاب مقاوم‌ها، سلف‌ها و خازن‌ها با توجه به Q-factor و رفتار در فرکانس‌های عملیاتی.

آزمون، شبیه‌سازی و اعتبارسنجی
شبیه‌سازی الکترومغناطیسی (EM simulation): استفاده از نرم‌افزارهای FEM/EM برای پیش‌بینی انتشار میدان و نقاط حساس.
آزمون‌های آزمایشگاهی: طیف‌سنجی، تست‌های انتشار تشعشعی و هدایتی، تست‌های ایمپالس/ surge، تست ESD.
روش‌های اندازه‌گیری حلقه بازگشت جریان، بررسی PSD و اندازه‌گیری SNR در شرایط واقعی کاری.

مثال‌های طراحی و قوانین سرانگشتی

قانون حلقهٔ کوچک: هر چه حلقهٔ جریان کوچکتر، تشعشع کمتر.
قرارگیری بای‌پس: خازن بای‌پس 0.1µF نزدیک پین تغذیه-زمینه آی‌سی؛ خازن‌های 10µF یا بیشتر در کنار آن برای پالایش انرژی پایین‌تر.
جداسازی زمین: زمین آنالوگ را در نقطهٔ مرجع واحد (star point) به زمین دیجیتال متصل کنید تا جریان‌های بازگشت بزرگ وارد بخش حساس نشود. microShip.
فیلتر ورود AC: قرار دادن CM choke و خازن Y بین فاز و زمین و خازن X بین فاز-نول.

روش‌های پیشرفته و تحقیقاتی

طراحی آنالوگ با مقاومت نویز پایین: تقویت‌کننده‌های با ضریب نویز کم (low-noise amplifiers) و ترمینیشن مناسب خطوط.
استفاده از مواد پیشرفته در شیلدینگ و PCB (مثلاً vias پرشده، هسته‌های مغناطیسی با رفتار فرکانسی خاص، میکروشیپ).
تکنیک‌های کاهش EMI در فرکانس‌های بالا برای مدارهای فرکانس رادیویی و تراشه‌های GHz.

جمع‌بندی عملی

تحلیل کامل نویز شامل شناسایی منبع، مسیر کوپلینگ و اثر روی سیستم است.
طراحی مناسب PCB، تفکیک زمین‌ها، فیلترینگ و شیلدینگ هماهنگ با مشخصه‌های فرکانسی منبع نویز، بیشترین اثر را در کاهش EMI خواهند داشت.
آزمون و شبیه‌سازی زودهنگام در چرخهٔ طراحی، خطاها و هزینه‌های اصلاح در فازهای بعدی را کاهش می‌دهد.

پیگیری بیشتر 

محاسبات: محاسبه PSD برای نویز گرمایی، تحلیل RC snubber برای یک کلید خاص، مثال طراحی فیلتر EMI برای منبع تغذیه همراه با محاسبات قطعات.
آزمایش: تحلیل یک برد نمونه با مشکلات واقعی EMI و ارائه راهکارهای اصلاحی مرحله‌به‌مرحله.
جدول تطبیقی: مزایا/معایب روش‌های ایزولاسیون، انواع فیلترها و شیلدها.

این نوشتار اختصاصی در میکروشیپ است.

پیشنهاد مرتبط : نکات کاربردی کاهش نویز صوتی در وسایل صوتی و آمپلی فایرها را از دست ندهید (کلیک کنید)

برگرفته از: نویز و مشکلات آن در مدارهای الکترونیکی و روش کاهش نویز

برگرفته از: نویز و مشکلات آن در مدارهای الکترونیکی و روش کاهش نویز