«Нам представилась замечательная возможность провести небольшое, но крайне поучительное тактическое занятие»

Тема данного поста возникла, как всегда, при рассмотрении конкретной технической проблемы. На одном форуме, посвященном Ардуино (гусары, молчать), был задан вопрос о сопряжении двух покупных устройств. Я немного помог автору, но, после того, как проблема была решена (конечно же, успешно решена, с моей‑то помощью) у меня осталось стойкое ощущение, что очень многие некоторые из адептов секты DIY «плавают» в основных понятиях разработки электроники. Для устранения возможных пробелов в знаниях ММК (Моих Молодых Коллег) и создан данный опус.

Если Вы твердо ориентируетесь в понятиях типа «входное сопротивление, рабочий диапазон, передаточная характеристика, S‑ и Z‑параметры», то этот пост Вам не нужен, а все остальные могут нажать кнопку. Примечание на полях (Пнп): использование буквы Z в предыдущем абзаце обусловлено исторически и никакой связи с событиями, начавшимися в 2022 году не имеет.

Итак, в процессе создания своих (несомненно, прорывных и не имеющих аналогов в мире, хотя последнее на точно) или повторения чужих изделий разработчик (позвольте мне так Вас всех назвать, надеюсь, никто не обидится) использует различные ранее разработанные (в том числе и не им, такое бывает) изделия в качестве составных частей своего продукта. Пнп: вообще то, микросхемы — это тоже сторонние изделия, если Вы их не делаете сами. При этом очень важно твердо знать, на какие характеристики этих заимствованных изделий разработчик может (1) твердо рассчитывать, на какие (2) обоснованно надеяться, а о каких (3) только мечтать (причем совершенно необоснованно). Получить такую информацию можно только путем чтения документации на применяемое изделие, предложение «попробуем, может быть и заработает» мы категорически отвергаем.

Существует мнение (вполне обоснованное) что любое изделие произвольной сложности можно представить в виде совокупности «четырехполюсников», то есть квадратиков с 2 входами и 2 выходами. Нисколько не возражая, тем не менее, предложу несколько иной взгляд на изделие в виде «многополюсника», имеющего «землю» — некий вывод, относительно которого формируются и измеряются все остальные сигналы, «питание» — сигнал, непосредственно не участвующий в процессах функционирования, но совершенно необходимый для работы, «вход» — сигнал, определяющий функционирование изделия и «выход» — сигнал, полученный в результате функционирования. Сразу отметим, что сигналов любого типа может быть более, чем один (а может быть и менее), конкретный состав определяется назначением изделия.

"Земля"

Здесь все просто — этот сигнал должен быть подключен к изделию (цепью с возможно низким сопротивлением) и иных требований не предъявляется. Если контактов такого назначения более, чем один, то, как правило, все они должны быть подключены к одной электрической цепи, если в документации явно не указан иной порядок использования. Выбор конкретной электрической цепи для подключения «земли» полностью на усмотрение разработчика, при условии выполнения требований к остальным сигналам. Пнп: в моей практике был случай, когда микросхема FPGA вела себя очень странно, когда у нее было плохо пропаяно «пузико», хотя все остальные ножки «земли» были подключены.

"Питание"

К сигналу «питание» выдвигаются более развернутые требования, рассмотрим их подробнее. Первое — это номинальное значение напряжения, с требуемой точностью, например 5В+-5%. Отметим, что эта запись мало что означает сама по себе, но если у нас есть таблица параметров, в заголовке которой явно указано, что данные параметры гарантируются при указанном напряжении питания, то это уже случай 1. Но лучше, если минимальное и максимальное значения рабочего напряжения питания прямо указаны в таблице параметров изделия, например, 4.75В и 5.25В. Пнп: часто в этой таблице есть еще и графа «Типовое значение», ею смело пренебрегаем, то же самое можно сказать и о любом параметре. Что означают эти две цифры — только то, что если питание находится в указанном диапазоне, то устройство способно (но только способно, отнюдь не обязано) функционировать в соответствии с документацией.

Маловероятно, чтобы при напряжении питания 5.26В устройство вдруг перестало бы работать, но проводить подобные эксперименты (и тем более полагаться на их положительные результаты) лучше не надо. Часто указывают еще и предельно допустимое напряжение, в нашем случае 5.5В. Этот параметр означает, что приложение к устройству напряжения, не превосходящего указанное, не приведет к повреждению устройства, хотя функционирование при этом уже не гарантируется. Опять‑таки, маловероятно, чтобы напряжение 5.51В гарантировано убивало изделие, а вот 6.5В, скорее всего, точно хватит, так что рисковать не стоит.

Обычно указывают и минимально допустимое напряжение питания, в нашем случае -0.2В (как и все остальные значения, измеренное относительно «земли»), при этом подача меньшего напряжения (например, -5В при «пере‑полюсовке» питания), как правило, гарантированно выведет устройство из строя.

Еще один важный параметр — потребление тока по цепям питания. Опять‑таки, нас интересует максимальное значение параметра, поскольку наша часть схемы должна обеспечить этот ток используемому устройству. Часто указывается для нескольких режимов работы изделия, поскольку может существенно в них различаться. Может быть интересно и минимальное значение тока потребления (особенно если есть требования к минимальному току нашего источника питания), но «типовое» значение совершенно не интересно и должно игнорироваться разработчиком, кроме как в целях расширения кругозора.

Отметим, что идеальный прибор способен функционировать при любом питании, или даже без него, почти идеальный — при напряжении не менее определенного, реальный — не ниже некоего определенного и не выше другого определенного.

Входы

Для них также устанавливаются предельно допустимые уровни напряжений, подача которых гарантировано не приведет к выходу изделия из строя, но функционирование отнюдь не гарантируется. Как правило, допустимые уровни определяются питанием и землей, с небольшими (до 0.5В) выходами за пределы. Кроме того, должны быть указан диапазон допустимых рабочих напряжений, возможно, различный для различных входов. Для напряжений, находящихся в этих пределах, гарантируется правильное функционирование устройства (при условии соблюдения всех остальных требований). Пнп: существуют приборы, которые способны работать при входных напряжениях, существенно (кратно) превосходящих напряжение питания (например, некоторые датчики тока верхнего плеча), но для подавляющего большинства изделий это не так.

Другой важный параметр входа — входное сопротивление, которое предъявляет требования к нагрузочной способности источника сигнала. Он может быть задан, как в прямом виде — входное сопротивление, так и в косвенном — максимально возможный входной ток при некотором конкретном входном напряжении либо в рабочем диапазоне напряжений. Обычно работает правдоподобное предположение (ПП) о том, что при уменьшении напряжения сигнала входное сопротивление входа не уменьшается, так что параметр можно считать определенным при входном напряжении, не более некоторого наперед заданного, хотя это и предположение. Пнп: иногда это не так, тогда в документации должна быть приведена информация о зависимости входного тока от напряжения. Считается, и не без оснований, что входное сопротивление должно быть как можно большим, чтобы как можно меньше влиять на источник сигнала, хотя из этого правила есть и исключения.

Часто имеются и дополнительные требования ко входным сигналам, например, устройства, имеющие дифференциальный вход могут потребовать определенного согласования между входами или ограничивать возможное синфазное напряжение. Для определенного класса схем может потребоваться дополнительная информация о параметрах входов устройства, например, зависимость параметров входа от частоты, но, раз Вы читаете этот пост, то такие схемы пока не для Вас.

Идеальный вход имеет бесконечное входное сопротивление и способен обработать (без повреждений) любое входное напряжение.

Выходы

Конкретные параметры выхода будут существенно отличаться, в зависимости от функционального назначения выхода, но ряд общих требований мы можем выделить. И прежде всего это нагрузочная способность выхода, параметр, дополнительный к входному сопротивлению. Он может быть представлен в виде выходного сопротивления (достаточно редко) либо в виде зависимости выходного тока от напряжения (с разными характеристиками для разных состояний — чуть чаще), а может быть задан, как гарантированный выходной ток в некотором диапазоне напряжений (а вот так параметр задается очень часто). Но может применяться и неявное задание параметра, например, максимальная выходная мощность на фиксированной нагрузке. Чем ниже выходное сопротивление, тем лучше, на практике разработчики стараются сохранить его достаточно небольшим, хотя бывают нюансы.

Диапазон выходного сигнала очень сильно зависит от функций устройства в целом и конкретного вывода, тем не менее можно считать, что выходное напряжение не может выйти за границы питания и земли и, более того, далеко не всегда к ним сможет достаточно приблизиться. Следует также учитывать, что некоторые устройства могут предъявлять особые требования к нагрузке, подключаемой к выходу, и, если их не обеспечить, то ожидаемые характеристики не будут получены. К примеру, некоторые операционные усилители обеспечивают выходное напряжение «rail‑to‑rail» (разница с питанием и землей десятки милливольт) только на нагрузку, не менее определенного (значительного) сопротивления (и это вполне ожидаемо), подключенную к середине диапазона питания (а вот это сюрприз). В противном случае выходной сигнал начинает отстоять от питания и земли на сотни милливольт, что вызывает стойкое (и абсолютно необоснованное) негодование у пользователя, недостаточно внимательно ознакомившегося с документацией.

Как правило, выходы не должны нагружаться на малые сопротивления входов либо на входы, подключенные внутри другого устройства к напряжениям выше питания либо ниже земли. Нарушение этой рекомендации, скорее всего, приведет к необратимым последствиям и волшебный дым покинет используемый прибор. Пнп: недавно видел замечательный набор для ремонта микросхем, состоящий из трех‑литровой банки с дымом и шприца для введения его обратно внутрь корпуса микросхемы.

Идеальный выход имеет нулевое сопротивление и способен пережить подключение к нему любой нагрузки с любым смещающим напряжением.

К сожалению, идеальные приборы с идеальным питанием, входами и выходами крайне редки в инженерной практике, по крайней мере, мне их никогда в руках подержать не удавалось. Но это пол беды, можно использовать и неидеальные устройства, гораздо хуже, то что нам часто встречаются изделия с неидеальной (и это мягкое определение) документацией. То есть формально документация есть, но совершенно необходимые для его правильного использования параметры в явном виде в ней отсутствуют. Как раз такой случай и послужил причиной данного поста, так что перейдем от общих соображений к конкретному примеру.

Имеется модуль GSM/GPRS модема SIM800L (совершенно восхитительное творение «сумрачного тайваньского гения», о нем я планирую написать), к аудиовыходу которого подключен УНЧ класса D PAM8403. На выходе усилителя имеем сильные искажения (хрип) и он греется, «как не в себя». Задается вопрос — кто виноват и что делать почему так происходит и как с этим бороться. Ну, поскольку звук все таки передается, хоть и с искажениями, то первая мысль — перегрузка усилителя. Так что это легкая задача — смотрим диапазон выходного напряжения модема и сравниваем со входным диапазоном усилителя.
Ага, сейчас …

Открываем документацию на модем и … не обнаруживаем искомого параметра, заданного в вольтах. Вместо него указана максимальная выдаваемая мощность на заданной нагрузке. Ладно, пересчитать в напряжение нетрудно, получаем действующее значение для выходного напряжения U=sqrt(P/R), или для наших данных получаем 1.6В. Но ведь это действующее значение, а нам нужно максимальное напряжение, то есть мы должны взять амплитудное значение, так что предполагаем форму сигнала синусоидальной и получаем Ua=Usqrt(2)=2.3В, что неплохо коррелирует с напряжением питания 3.3В. Тогда мы можем предположить, что на выходе присутствует постоянное смещение в 1.6В и на него наложен выходной сигнал амплитудой 1.15В, что даст диапазон изменения выхода от 0.45В до 2.75В, что приводит к КПД на однополюсном динамике (пищалке) около 30%. Пнп: на самом деле проектировщики модема не закладывали в него столь незначительный КПД по аудио выходу, сигнал сделан парафазным и при подключении динамика к двум плечам моста постоянная составляющая будет компенсирована. Расчет по такому режиму показывает выходную амплитуду полезного сигнала в 3.0В ~1.6*2, значения практически совпадают, хотя разность есть. Единственный вопрос — почему не указать вычисленное нами значение в документации — так и остается без ответа.

Никаких указаний на выходное сопротивление не находим вообще, хотя возможно, что они зашифрованы именно в разности выдаваемой мощности сигналов на разных сопротивлениях (есть такой параметр). Теоретически, задача определить выходное сопротивление по двум точкам решается, но при столь зыбких данных практически бессмысленна. Единственное, что можно утверждать с определенностью, выходное сопротивление много меньше сотен ом и сигнал будет себя хорошо вести при входном в кило омах.

Теперь ищем требования к входному сигналу усилителя. Опять открываем документацию и … вполне ожидаемо, данного параметра не находим. Пойдем проторенным путем изучения косвенных показателей. Максимальное выходное напряжение … также не указано, но, раз это усилитель класса D, можем предположить, что оно будет равно напряжению питания 3.3В (сильное предположение, но выглядит правдоподобно). Далее обнаруживаем коэффициент усиления изделия в 24 дБ, то есть 15 раз, тогда входной сигнал не должен превышать 3.3/15=200мВ. Весьма маловероятно, чтобы изделие могло работать, когда входной сигнал близок к земле, так что наверняка на входе есть (или его нужно сформировать) постоянное смещение. К сожалению, данные об этом параметре в документации также отсутствуют. Также отсутствуют и данные о входном сопротивлении, что превращает применение данного изделия в, строго говоря, авантюру. Но положимся на здравый смысл разработчиков и, в предположении, что они не идиоты (вообще говоря, исходя из качества документации, очень сильное предположение), входное сопротивление должно быть значительным.

Тем не менее, из более‑менее достоверно полученных данных мы видим, что наше предположение о перегрузке входного каскада подтвердилось — при требуемых 0.2В мы подаем сигнал в 3В, что существенно (на порядок) больше. Решение очевидно — делитель сигнала, можно простейший — резистивный, с уменьшением сигнала в 10 (а лучше в 15) раз. Пнп: а можно и частотно зависимый делитель с добавкой конденсаторов, но это уже явно выходит за пределы рассматриваемого вопроса. Поскольку напряжения смещения источника и приемника точно неизвестны, добавляем еще и развязывающий конденсатор. Пнп: если верить схемам в Инете, развязывающий конденсатор есть на плате, но «развязки много не бывает».

После доработки схемы ситуация налаживается: искажения звука исчезают, повышенного потребления не наблюдается, полученную схему согласования можно считать приемлемой.

Общий вывод: при разработке устройства с применением готовых изделий обращаем особое внимание на их параметры для обеспечения согласование, при этом мы должны быть готовы определить эти параметры, исходя из косвенных данных, правдоподобных предположений и здравого смысла, из последнего в особенности.