第6章1電和系統(tǒng)的噪聲抑制技術(shù)

1、華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院熊熊 蕊蕊引言引言電路、系統(tǒng)的干擾和抑制電路、系統(tǒng)的干擾和抑制目前在工業(yè)設(shè)備和控制系統(tǒng)中大量應(yīng)用著模擬電路。減目前在工業(yè)設(shè)備和控制系統(tǒng)中大量應(yīng)用著模擬電路。減少模擬電路的誤動作提高電路抗干擾能力，是電子設(shè)少模擬電路的誤動作提高電路抗干擾能力，是電子設(shè)備電磁兼容性技術(shù)的重要方面。備電磁兼容性技術(shù)的重要方面。電子裝置和設(shè)備通常采用模擬和數(shù)字電路混合系統(tǒng)電子裝置和設(shè)備通常采用模擬和數(shù)字電路混合系統(tǒng) 數(shù)字電路往往成為微弱模擬信號電路的噪聲源；數(shù)字電路往往成為微弱模擬信號電路的噪聲源； 數(shù)字電路的工作特點是動作能量小，翻轉(zhuǎn)速度快、數(shù)字電路的工作

2、特點是動作能量小，翻轉(zhuǎn)速度快、信號電平低，所以外部電磁環(huán)境變化產(chǎn)生的噪聲容易信號電平低，所以外部電磁環(huán)境變化產(chǎn)生的噪聲容易影響到數(shù)字電路的正常工作；影響到數(shù)字電路的正常工作； 數(shù)字電路設(shè)備本身工作時也產(chǎn)生電磁噪聲，幾乎都數(shù)字電路設(shè)備本身工作時也產(chǎn)生電磁噪聲，幾乎都與脈沖信號或時鐘脈沖的重復(fù)頻率、躍變上升時間和與脈沖信號或時鐘脈沖的重復(fù)頻率、躍變上升時間和下降時間有密切關(guān)系。下降時間有密切關(guān)系。華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院電路內(nèi)部：電路內(nèi)部： 器件布置不可過密；器件布置不可過密； 改善裝置的散熱條件改善裝置的散熱條件 分散設(shè)置穩(wěn)壓電源分散設(shè)置穩(wěn)壓電源 在配線和安裝位置上盡量減少不必要的電磁耦合

3、在配線和安裝位置上盡量減少不必要的電磁耦合 盡量減少公共阻抗值盡量減少公共阻抗值 實行一點接地實行一點接地電路外部電路外部（針對來自電路外部的噪聲源）：（針對來自電路外部的噪聲源）： 中高壓電路附近的靜電感應(yīng)噪聲中高壓電路附近的靜電感應(yīng)噪聲采?。簩﹄娮友b置和引線采?。簩﹄娮友b置和引線加接地的金屬屏蔽、遠(yuǎn)距離傳送信號的輸入輸出線用良好的接地加接地的金屬屏蔽、遠(yuǎn)距離傳送信號的輸入輸出線用良好的接地屏蔽，保證柜體電位與傳輸電纜電位一致、盡可能縮短信號線長屏蔽，保證柜體電位與傳輸電纜電位一致、盡可能縮短信號線長度、減少電路阻抗、對整個系統(tǒng)實行全屏蔽等措施度、減少電路阻抗、對整個系統(tǒng)實行全屏蔽等措施 強(qiáng)

4、磁場對附近集成電路的影響強(qiáng)磁場對附近集成電路的影響采取：信號線遠(yuǎn)離產(chǎn)生電磁采?。盒盘柧€遠(yuǎn)離產(chǎn)生電磁感應(yīng)的電力線、使二者相互垂直、施加電磁屏蔽等措施感應(yīng)的電力線、使二者相互垂直、施加電磁屏蔽等措施 高頻裝置、火花放電等產(chǎn)生的電磁波噪聲、汽車點火拴噪聲、高頻裝置、火花放電等產(chǎn)生的電磁波噪聲、汽車點火拴噪聲、大功率調(diào)頻調(diào)幅電磁波、雷達(dá)波以及晶體管內(nèi)部產(chǎn)生的高頻噪大功率調(diào)頻調(diào)幅電磁波、雷達(dá)波以及晶體管內(nèi)部產(chǎn)生的高頻噪聲聲采取：隔斷噪聲傳遞路徑為主的屏蔽、更換產(chǎn)生較大干擾采取：隔斷噪聲傳遞路徑為主的屏蔽、更換產(chǎn)生較大干擾的元器件等措施的元器件等措施 電網(wǎng)浪涌電壓噪聲電網(wǎng)浪涌電壓噪聲線路上設(shè)置各種濾波器、

5、浪涌抑制器等線路上設(shè)置各種濾波器、浪涌抑制器等1324寄生電容寄生電容當(dāng)門1的輸出從高變?yōu)榈蜁r，會發(fā)生以下過程：寄生電容通過門1放電，很大的地電流流過地線阻抗，在門2的地線上形成地線電壓，由于門2輸出低電平，這個電壓直接反應(yīng)到門2的輸出端，成為門4 的輸入信號。當(dāng)幅度超過門4的噪聲門限時，導(dǎo)致門4 誤動作。地線上的這些干擾不僅會引起電路的誤操作，還會造成傳導(dǎo)和輻射發(fā)射。為了減小這些干擾，應(yīng)盡量減小地線的阻抗。注意：注意：對于數(shù)字電路，地線阻抗決不是地線電阻。例如，寬0.5mm的印制線，每英寸電阻為12m，電感是15nh，對于160mhz的信號，其阻抗為9.24 ，遠(yuǎn)大于直流電阻。因此對于數(shù)字電

6、路，減小地線電感是十分重要的?？傇瓌t總原則： 數(shù)字電路與模擬電路要分開接地，采用放射形、平面形等數(shù)字電路與模擬電路要分開接地，采用放射形、平面形等接地方式，避免使用單根接地線接地方式，避免使用單根接地線 對微弱模擬量電路實行全面覆蓋的電磁屏蔽對微弱模擬量電路實行全面覆蓋的電磁屏蔽 采用直流隔離措施采用直流隔離措施模數(shù)轉(zhuǎn)換器有積分式、逐次比較式，使用最多的為模數(shù)轉(zhuǎn)換器有積分式、逐次比較式，使用最多的為平方積分式，應(yīng)注意：平方積分式，應(yīng)注意： 減小電源電壓脈動（影響基準(zhǔn)電壓）減小電源電壓脈動（影響基準(zhǔn)電壓） 避免噪聲侵入輸入電路（尤其是高輸入阻抗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，避免噪聲侵入輸入電路（尤其是高輸入阻抗

7、的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，應(yīng)在輸入端設(shè)置箝位二極管，并采用放大器緩沖，抑制共應(yīng)在輸入端設(shè)置箝位二極管，并采用放大器緩沖，抑制共模和差模噪聲后再做模數(shù)轉(zhuǎn)換）模和差模噪聲后再做模數(shù)轉(zhuǎn)換） 數(shù)字和模擬電路的地（公共線）分開數(shù)字和模擬電路的地（公共線）分開(2) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的噪聲抑制模數(shù)轉(zhuǎn)換器的噪聲抑制積分電容的選擇和屏蔽接地積分電容的選擇和屏蔽接地金屬聚丙稀電容，銅箔接地。金屬聚丙稀電容，銅箔接地。 電源頻率對模數(shù)轉(zhuǎn)換器的影響電源頻率對模數(shù)轉(zhuǎn)換器的影響日本購置美國測量儀的調(diào)試日本購置美國測量儀的調(diào)試情況：輸入為零時輸出信號零點擺動達(dá)情況：輸入為零時輸出信號零點擺動達(dá)3mv3mv，為滿量程的，為滿量程的2020，

8、而在美國是正常的而在美國是正常的電源頻率差異：美國按照電源頻率差異：美國按照60hz60hz時具有最佳時具有最佳噪聲抑制來設(shè)計時鐘頻率，其中噪聲抑制來設(shè)計時鐘頻率，其中1414位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的時鐘頻率位位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的時鐘頻率位98983khz3khz，由，由1.966mhz1.966mhz的晶振產(chǎn)生；日本電源頻率為的晶振產(chǎn)生；日本電源頻率為50hz50hz，折算后晶，折算后晶振改為振改為1.6384mhz1.6384mhz，時鐘頻率降為，時鐘頻率降為819.2khz819.2khz，零點漂移降到，零點漂移降到0.10.1mvmv以下，能正常工作。以下，能正常工作。 旁路電容的重要作用旁路電容的重

9、要作用集成電路電源并旁路電容，降低電源集成電路電源并旁路電容，降低電源的高頻阻抗，有效抑制芯片的內(nèi)部噪聲和電源噪聲。的高頻阻抗，有效抑制芯片的內(nèi)部噪聲和電源噪聲。 輸入電路的噪聲輸入電路的噪聲各級運(yùn)算放大器前接低通濾波器各級運(yùn)算放大器前接低通濾波器多個模擬量做模數(shù)轉(zhuǎn)換時采用多路轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)對模多個模擬量做模數(shù)轉(zhuǎn)換時采用多路轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)對模擬量的切換（只需一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器）擬量的切換（只需一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器） 半導(dǎo)體型（隔離式；集成電路式）半導(dǎo)體型（隔離式；集成電路式） 集成電路式：易受共模噪聲影響集成電路式：易受共模噪聲影響 抑制干擾基本原則抑制干擾基本原則不產(chǎn)生、不傳遞、不響應(yīng)不產(chǎn)生、不傳遞、不響應(yīng)

10、采取措施采取措施加入共模扼流圈、變壓器雙重屏蔽接地、光電隔加入共模扼流圈、變壓器雙重屏蔽接地、光電隔離、抑制高頻噪聲（根據(jù)采樣頻率要求，采用電容將前置放大器離、抑制高頻噪聲（根據(jù)采樣頻率要求，采用電容將前置放大器的頻帶變窄降低對高頻噪聲的響應(yīng)能力；降低變壓器帶寬及增加的頻帶變窄降低對高頻噪聲的響應(yīng)能力；降低變壓器帶寬及增加采樣脈沖寬度）采樣脈沖寬度）華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院(1) 數(shù)字電路的噪聲容限數(shù)字電路的噪聲容限直流電壓噪聲容限直流電壓噪聲容限交流噪聲容限交流噪聲容限能量噪聲容限能量噪聲容限(2) (2) 數(shù)字電路常見噪聲和一般抑制措施數(shù)字電路常見噪聲和一般抑制措施電源噪聲電源噪聲地

11、線噪聲地線噪聲串?dāng)_串?dāng)_反射反射公共阻抗噪聲公共阻抗噪聲靜電放電噪聲靜電放電噪聲數(shù)字電路本身工作時產(chǎn)生的數(shù)字電路本身工作時產(chǎn)生的噪聲噪聲不能懸空輸入端不能懸空輸入端盡量縮短電源線、接地線盡量縮短電源線、接地線旁路電路靠近集成電路電源引腳旁路電路靠近集成電路電源引腳rsrs觸發(fā)器等集成電路的輸入端和地線觸發(fā)器等集成電路的輸入端和地線間接入陶瓷電容以增強(qiáng)該器件的抗干間接入陶瓷電容以增強(qiáng)該器件的抗干擾能力擾能力大量數(shù)據(jù)信息同時傳輸和變化時注意大量數(shù)據(jù)信息同時傳輸和變化時注意抑制感應(yīng)噪聲，減少與其它控制電路抑制感應(yīng)噪聲，減少與其它控制電路間的串?dāng)_間的串?dāng)_(3)(3)數(shù)字電路噪聲抑制案例數(shù)字電路噪聲抑制案

12、例脈沖噪聲的抑制脈沖噪聲的抑制(3) (3) 數(shù)字電路噪聲抑制案例數(shù)字電路噪聲抑制案例脈沖噪聲的抑制脈沖噪聲的抑制(3) (3) 數(shù)字電路噪聲抑制案例數(shù)字電路噪聲抑制案例邏輯電路多余輸入端的處理邏輯電路多余輸入端的處理數(shù)字邏輯電路中多余輸入端的處理，一般都要求不懸空。如果簡單的數(shù)字邏輯電路中多余輸入端的處理，一般都要求不懸空。如果簡單的將多余的輸入端懸空，則成為一根天線，能直接接收輻射噪聲，或通過將多余的輸入端懸空，則成為一根天線，能直接接收輻射噪聲，或通過漏電阻和分布電容接收外來噪聲信號。而邏輯電路在其規(guī)定的頻率范圍漏電阻和分布電容接收外來噪聲信號。而邏輯電路在其規(guī)定的頻率范圍內(nèi)，一旦輸入電

13、平超過閾值電壓，不論是正常信號還是噪聲信號，都會內(nèi)，一旦輸入電平超過閾值電壓，不論是正常信號還是噪聲信號，都會使電路動作，尤其是對于內(nèi)部含有存儲元件的電路。使電路動作，尤其是對于內(nèi)部含有存儲元件的電路。(3) (3) 數(shù)字電路噪聲抑制案例數(shù)字電路噪聲抑制案例邏輯電路多余輸入端的處理邏輯電路多余輸入端的處理對門電路一些建議的處理方法（以與非門為例）：對門電路一些建議的處理方法（以與非門為例）：(1) 多余輸入端接到單獨的電源上。多余輸入端接到單獨的電源上。(2) 在多余輸入端串聯(lián)一個在多余輸入端串聯(lián)一個1k10k之間的電阻，再接到電源之間的電阻，再接到電源ucc上。上。(3) 把多余輸入端并聯(lián)在

14、正在使用的輸入端上。這樣可以加快響應(yīng)速度，但把多余輸入端并聯(lián)在正在使用的輸入端上。這樣可以加快響應(yīng)速度，但是信號源功耗增大，所以引起的電源噪聲也會增大。是信號源功耗增大，所以引起的電源噪聲也會增大。(4) 把多余輸入端與不用的反相器輸出端相連；不用的反相器因為也是多余把多余輸入端與不用的反相器輸出端相連；不用的反相器因為也是多余的，其輸入端要接地。的，其輸入端要接地。對于觸發(fā)器類亦可采用類似的方法，分析其正常工作時的輸出狀態(tài)后，再對于觸發(fā)器類亦可采用類似的方法，分析其正常工作時的輸出狀態(tài)后，再將多余輸入端接到電源或者地。觸發(fā)器的輸出端也需要注意抗干擾，在觸將多余輸入端接到電源或者地。觸發(fā)器的輸

15、出端也需要注意抗干擾，在觸發(fā)器兩個輸出端（發(fā)器兩個輸出端（q和和 -q）中僅只用一個輸出端（）中僅只用一個輸出端（q）時，為了提高觸發(fā)）時，為了提高觸發(fā)器的抗干擾能力，可將器的抗干擾能力，可將 -q輸出端對地接一個輸出端對地接一個1000p的瓷片電容，而不是完的瓷片電容，而不是完全懸空，這樣全懸空，這樣q輸出端不易受噪聲影響，避免誤動作。輸出端不易受噪聲影響，避免誤動作。q q 數(shù)字電路常用電源數(shù)字電路常用電源 單邊開關(guān)電源（脈沖調(diào)寬或脈沖調(diào)頻式）單邊開關(guān)電源（脈沖調(diào)寬或脈沖調(diào)頻式） 橋式開關(guān)電源（橋式開關(guān)電源（dcdcacac變換整流濾波，半橋式、推挽式、全變換整流濾波，半橋式、推挽式、全橋

16、式，橋式，pwmpwm方式穩(wěn)壓）方式穩(wěn)壓） 抑制電源噪聲一般措施抑制電源噪聲一般措施不得將開關(guān)電源工頻電源線與經(jīng)開關(guān)電源整流后的直流輸出線捆扎不得將開關(guān)電源工頻電源線與經(jīng)開關(guān)電源整流后的直流輸出線捆扎一起；一起；輸出采用雙絞線，充分利用其輸出采用雙絞線，充分利用其lclc濾波作用濾波作用不要沿開關(guān)電源線敷設(shè)信號輸入輸出線不要沿開關(guān)電源線敷設(shè)信號輸入輸出線機(jī)殼接地與信號接地分開機(jī)殼接地與信號接地分開 抑制電源噪聲一般措施抑制電源噪聲一般措施周密考慮沖擊電流措施（開關(guān)電源輸出的大容量濾波電容所致）周密考慮沖擊電流措施（開關(guān)電源輸出的大容量濾波電容所致）考慮高頻濾波電容的安裝位置考慮高頻濾波電容的安

17、裝位置: :啟動開關(guān)電源時抑制輸出的大容量濾波電容引起浪涌電流的一個實例。這個電路在電源端負(fù)極串聯(lián)了一個mos管q1。q1通常情況下是斷開的，r2拉低了其門級電平。外加輸入電壓時，通過r1為門極充電，q1的充電時間和接通時間由于c1的存在而減慢。選擇r1和c1的值，可使輸入電容緩慢充電，以限制浪涌電流。輸入電容充電完畢，q1門極再充電，直至被穩(wěn)壓管限壓，之后q1則保持完全開通。華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院地線和電源線上的噪聲當(dāng)數(shù)字電路出現(xiàn)電磁干擾的問題,許多有經(jīng)驗的工程師會檢查地線和電源線上的噪聲,通常的結(jié)果是在電源線和地線上,用示波器可以觀察到明顯的噪聲電壓。雖然許多人可以斷定這些噪聲是造

18、成電路電磁干擾問題的原因,但是不知道如何解決。因為,他們不知道這些噪聲是如何產(chǎn)生的。地線和電源線上的噪聲q1q2q3q4r4r2r3r1vcc被驅(qū)動電被驅(qū)動電路路icci驅(qū)動驅(qū)動i充充電電i放電放電igvg圖中是一個典型的門電路輸出級（圖騰柱輸出），當(dāng)輸出為高時，q3導(dǎo)通，q4截止，相反，當(dāng)輸出為低時，q3截止，q4導(dǎo)通，這兩種狀態(tài)都在電源與地之間形成了高阻抗，限制了電源的電流。但是，當(dāng)狀態(tài)發(fā)生變化時，會有一段時間q3和q4同時導(dǎo)通，這時在電源和地之間形成了短暫的低阻抗，產(chǎn)生30100毫安的尖峰電流。當(dāng)門輸出從低變?yōu)楦邥r，電源不僅要提供這個短路電流，還要提供給寄生電容充電的電流，使這個電流的峰

19、值更大。由于電源線總是有不同程度的電感，因此當(dāng)發(fā)生電流突變時，會產(chǎn)生感應(yīng)電壓。這就是在電源線上觀察到的噪聲。由于電源線阻抗的存在，也會造成電壓的暫時跌落。地線和電源線上的噪聲q1q2q3q4r4r2r3r1vcc被驅(qū)動電被驅(qū)動電路路icci驅(qū)動驅(qū)動i充電充電i放電放電igvg電源線、地線噪聲電壓波形輸出iccvccigvg在輸出狀態(tài)不同時，幅值是不同的。輸出穩(wěn)定時，電流也是穩(wěn)定的。當(dāng)輸出從低變?yōu)楦邥r，由于瞬間短路，電流增加，同時需要給電路中的寄生電容充電，電流更大。當(dāng)輸出從高變?yōu)榈蜁r，由于瞬間短路，電流增加，但不需要給電路中的寄生電容充電，因此電流較輸出從低變?yōu)楦邥r為小。電電源源線線上的上的電

20、壓電壓v vcccc：當(dāng)電流 icc發(fā)生突變時，由于電源線的電感l(wèi)，會有感應(yīng)電壓ldi/dt產(chǎn)生。地線上的電流是電源線上的電流與電路中寄生電容放電電流之和。在輸出穩(wěn)定時，電流也是穩(wěn)定的。當(dāng)輸出從低變?yōu)楦邥r，由于瞬間短路，電流增加。當(dāng)輸出從高變?yōu)榈蜁r，由于瞬間短路，電流增加，同時由于電路中的寄生電容放電，因此電流峰值較輸出從低變?yōu)楦邥r更大。當(dāng)電流 ig發(fā)生突變時，由于地線的電感l(wèi)，會有感應(yīng)電壓ldi/dt產(chǎn)生。l = 0.002s(2.3lg ( 2s / w ) + 0.5 hwsmii式中：式中：s = s = 導(dǎo)體長度（導(dǎo)體長度（cmcm） w = w = 導(dǎo)體寬度（導(dǎo)體寬度（cmcm）

21、t = t = 導(dǎo)體厚度（導(dǎo)體厚度（cmcm）l = 0.002s 2.3 lg ( 2s /（ w + t ) + 0.5 h對于線路板走線，對于線路板走線，t t w w，則電感計算公式簡化為：，則電感計算公式簡化為：l = 0.002s(2.3lg ( 2s / w ) + 0.5 hwsmii控制走線的電感：控制走線的電感：從電感的計算公式中可以看出，電感與其長度和長度的對數(shù)成正比，縮短導(dǎo)線的長度能夠有效地減小電感。但是電感隨著的導(dǎo)體的寬度的對數(shù)減小而減小。因此，增加走線的寬度對減小電感的作用很有限。當(dāng)寬度增加一倍時，電感僅減小20。式中：s = 導(dǎo)體長度（cm） w = 導(dǎo)體寬度（c

22、m）wsl = ( l1l2 - m2 ) / ( l1 + l2 - 2m ) 若：若：l1 = l2l= ( l1 + m ) / 2mii地線網(wǎng)格地線網(wǎng)格為了保證數(shù)字電路的可靠工作，減小線路板上所有電路的地線的阻抗是一個基本的要求。對于多層板，往往專門設(shè)置一層地線面。但是，多層板的成本較高，在民用產(chǎn)品上較少使用。實際上，在雙層板上做地線網(wǎng)格能獲得幾乎相同的效果。地線網(wǎng)格：地線網(wǎng)格：在雙層板的兩面布置盡量多的平行地線，一面水平線，另一面垂直線，然后在它們交叉的地方用過孔連接起來。雖然從上面的分析中知道：平行導(dǎo)體的距離遠(yuǎn)些，減小電感的作用更大，但是考慮到每個芯片的近旁應(yīng)該有地線，往往每隔11

23、.5cm布一根地線。地線網(wǎng)格地線網(wǎng)格地地線網(wǎng)線網(wǎng)格的制作方法：制作地格的制作方法：制作地線網(wǎng)線網(wǎng)格的一格的一個關(guān)鍵個關(guān)鍵是在布信是在布信號線號線之前布地之前布地線網(wǎng)線網(wǎng)格，否格，否則則是十分困是十分困難難的。的。盡盡管地管地線線要要盡盡量量寬寬，但是除了作，但是除了作為為直流直流電電源主回路的地源主回路的地線線由于要通由于要通過過較較大的大的電電流，需要有一定的流，需要有一定的寬寬度外，地度外，地線網(wǎng)線網(wǎng)格中的其格中的其它導(dǎo)線并它導(dǎo)線并不需要很不需要很寬寬，即使有一，即使有一根很窄的根很窄的導(dǎo)線導(dǎo)線，也比，也比沒沒有強(qiáng)。有強(qiáng)。地地線網(wǎng)線網(wǎng)格的效果：格的效果：兩塊線兩塊線路板的布局和安裝的器件完

24、全相同，只是一路板的布局和安裝的器件完全相同，只是一個個有地有地線網(wǎng)線網(wǎng)格，格，一一個沒個沒有地有地線網(wǎng)線網(wǎng)格，格，測測量量線線路板上芯片之路板上芯片之間間的地的地線線噪噪聲電壓值聲電壓值（mvmv）如下：）如下：測測 量量 點點 ic1 ic1 ic2 ic1-ic3 ic1 ic2 ic1-ic3 ic1 ic4 ic1-ic11 ic7 ic4 ic1-ic11 ic7 ic15 ic15-ic16 ic15 ic15-ic16 單單點接地點接地 150 425 425 625 850 1000150 425 425 625 850 1000地地線網(wǎng)線網(wǎng)格格 100 150 120 20

25、0 125 100 100 150 120 200 125 100 電源線噪聲的消除電源線噪聲的消除電源線電感電源線電感儲能電容儲能電容這個環(huán)路盡這個環(huán)路盡量小量小如前所述：邏輯門的輸出狀態(tài)發(fā)生變化時，電源線上會有電流突變，由于電源線的電感效應(yīng)，會在電源線上產(chǎn)生噪聲電壓，對其它共用電源的電路產(chǎn)生干擾，并且會產(chǎn)生輻射。因此必須設(shè)法解決這個問題。按照解決地線噪聲電壓的思路：在線路板上設(shè)置電源線網(wǎng)格來減小電源線的電感。這固然是可以的。但這要占有寶貴的布線空間。對于電源線電感的問題，一般用下面的方法：儲能電容：儲能電容的作用是為芯片提供了電路輸出狀態(tài)發(fā)生變化時所需的大電流，這樣就避免了電源線上的電流發(fā)

26、生突變，減小了感應(yīng)出的噪聲電壓。即使在線路板上使用了電源線網(wǎng)格或電源線面（電源系統(tǒng)具有很小的電感），儲能電容也是必要的。這是由于儲能電容將電流變化局限在較小的范圍內(nèi)，減小了輻射（后面將看到輻射量與電流環(huán)路的面積成正比）。 電源解耦電容的正確布置盡量使電源線與地線靠近盡量使電源線與地線靠近儲能電容安裝的位置：儲能電容的作用是為芯片提供瞬態(tài)高能量，因此在布線時，要盡量使它靠近芯片。這種提法有時不夠確切，更確切的要求是：使儲能電容的供電回路面積盡量小?；蛘哒f：儲能電容與芯片電源端和地線端之間的聯(lián)線盡量短。芯片的影響：儲能電容與芯片之間的聯(lián)線長度是線路板走線的長度加上芯片自身引腳的長度。因此，要減小這

27、個兩部分的總長度。要選用電源引腳與地引腳靠得近的芯片、不使用芯片安裝座、使用表面安裝形式的芯片等。二級儲能電容：每片芯片的儲能電容在放電完畢后，需要及時補(bǔ)充電荷，作好下次放電的準(zhǔn)備。為了減小對電源系統(tǒng)的騷擾，通常也通過電容來提供電荷。為了描述上的方便，稱起這個作用的電容為二級儲能電容。當(dāng)線路板上的芯片較少時，一只二級儲能電容就可以了，一般安裝在電源線的入口處，容量為芯片儲能電容總?cè)萘康?0倍以上。如果線路板上芯片較多，每10 15片設(shè)置一個二級儲能電容。這個電容同樣要求串聯(lián)電感盡量小，應(yīng)該使用鉭電容，而不要使用鋁電解電容，后者具有較大的內(nèi)部電感。線路板的兩種輻射機(jī)理線路板的兩種輻射機(jī)理差模差模

28、輻射輻射共模共模輻射輻射電流環(huán)電流環(huán)桿天線桿天線線路板電磁兼容設(shè)計的目的，除了保證電路工作可靠以外，一個主要的目的就是減小線路板的電磁輻射，保證設(shè)備在較低的屏蔽效能下滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。由于一個電路的電磁輻射和接收的能力往往是一致的，即一個電路的電磁輻射效率高，往往接收效率也高。因此，在設(shè)計中抑制線路板的電磁輻射，同時也就提高了線路板的抗干擾能力。輻射源：輻射源：線路板的輻射主要產(chǎn)生于兩個源，一個是pcb走線，另一個是i/o電纜。根據(jù)輻射驅(qū)動電流的模式，輻射分為差模輻射和共模輻射兩種。 差模輻射：差模輻射：電路工作電流在信號環(huán)路中流動，這個信號環(huán)路會產(chǎn)生電磁輻射。由于這種電流是差模的，因此信號

29、環(huán)路產(chǎn)生的輻射稱為差模輻射。 共模輻射：共模輻射：當(dāng)傳輸信號的導(dǎo)體的電位與鄰近導(dǎo)體的電位不同時，在兩者之間就會產(chǎn)生電流。即使兩者之間沒有任何導(dǎo)體連接，高頻電流也會通過寄生電容流動。這種電流稱為共模電流，它所產(chǎn)生的輻射稱為共模輻射。在電子設(shè)備中，電纜的輻射主要以共模輻射為主。說明：說明：由于共模電壓都是設(shè)計意圖之外的（除了電場波發(fā)射設(shè)備以外，沒有任何設(shè)備是靠共模電壓工作的），因此共模輻射比差模輻射更難預(yù)測和抑制。電流環(huán)路產(chǎn)生的輻射近場區(qū)內(nèi)近場區(qū)內(nèi): h = ia / (4 d3) a/m e = z0ia / (2 d2) v/m zw = z0（2 d/ ） 遠(yuǎn)場區(qū)內(nèi)遠(yuǎn)場區(qū)內(nèi): h = ia

30、/ ( 2d) a/m e = z0 ia / ( 2d) v/m zw = z0 = 377 ai隨頻率、距離增加而增加 z0 f、d對差模輻射，用電流環(huán)路模型用來進(jìn)行分析。對差模輻射，用電流環(huán)路模型用來進(jìn)行分析。公式中各量的定義：公式中各量的定義：i = 環(huán)路電流環(huán)路電流(a) ，a = 環(huán)路面積環(huán)路面積(m2 ) ，d = 觀測點到環(huán)路的距離觀測點到環(huán)路的距離(m)，z0 = 自自由空間的阻抗（由空間的阻抗（377 ） ， = 電流頻率所對應(yīng)的波長電流頻率所對應(yīng)的波長(m)電流環(huán)路產(chǎn)生的輻射從公式得出以下結(jié)論：1 1 近近場區(qū)內(nèi)場區(qū)內(nèi)：磁場的輻射強(qiáng)度與頻率無關(guān)，這個公式對直流也是適用的。

31、磁場的強(qiáng)度隨距離的三次方衰減。因此利用增加距離來減小磁場強(qiáng)度是十分有效的方法。2 2 近近場區(qū)內(nèi)場區(qū)內(nèi)：電場的輻射強(qiáng)度隨頻率呈線性增長，隨距離的平方衰減。結(jié)合磁場的情況，可以理解磁場輻射源產(chǎn)生的電場波的波阻抗的變化，由于磁場隨距離衰減快，電場衰減慢，因此隨著距離的增加，波阻抗減小。3 近近場區(qū)內(nèi)場區(qū)內(nèi)：場強(qiáng)隨距離衰減很快。4 4 遠(yuǎn)場區(qū)內(nèi)遠(yuǎn)場區(qū)內(nèi)：電場和磁場隨距離衰減的速率是一樣的，都是與距離呈反比例衰減。5 遠(yuǎn)場區(qū)電場與遠(yuǎn)場區(qū)電場與磁磁場場的比的比值值（波阻抗）：（波阻抗）：是定值，為377。6 遠(yuǎn)場區(qū)內(nèi)遠(yuǎn)場區(qū)內(nèi)：電場和磁場強(qiáng)度隨頻率的平方增加，因此，電子設(shè)備會輻射出頻率比想象高得多的電磁波

32、。因為，較小的高頻電流就能產(chǎn)生很強(qiáng)的輻射。由于大多數(shù)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)中僅對電場輻射強(qiáng)度提出了限制，并且，由于大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的測量條件都屬于遠(yuǎn)場區(qū)，因此遠(yuǎn)場區(qū)電場強(qiáng)度的公式用得最多。導(dǎo)線的輻射近場區(qū)內(nèi)近場區(qū)內(nèi): h = i l / (4 d2) a/m e = z0i l / (8 2 d3) v/m zw = z0（ /2 d） 遠(yuǎn)場區(qū)內(nèi)遠(yuǎn)場區(qū)內(nèi): h = i l / (2 d) a/m e = z0 i l / (2 d) v/mi l隨頻率、距離增加而減小 z0 f、d對于電纜的共模輻射，以下這組公式可估算其輻射強(qiáng)度。公式中各量的定義為：i = 導(dǎo)線中的電流（a），l = 導(dǎo)線長度（m），d =

33、觀測點到環(huán)路的距離（m），z0 = 自由空間的阻抗（377）， = 電流頻率所對應(yīng)的波長（m）注意公式中的電流為共模電流。與差模電流不同的是，共模電流的實際值很難預(yù)先估算出來。導(dǎo)線的輻射從公式中可以看出：1 近近場區(qū)內(nèi)場區(qū)內(nèi)：磁場的輻射強(qiáng)度與頻率無關(guān)，這個公式對直流也是適用的。磁場的強(qiáng)度隨距離的平方衰減。2近近場區(qū)內(nèi)場區(qū)內(nèi)：電場的輻射強(qiáng)度隨頻率增加而減小，隨距離的三次方衰減。這與電流環(huán)路的情況正好相反。這里，由于磁場隨距離衰減慢，電場衰減快，因此隨著距離的增加，波阻抗增加。3 近近場區(qū)內(nèi)場區(qū)內(nèi)：場強(qiáng)隨距離衰減很快，這一點與電流環(huán)路是相同的。4 遠(yuǎn)場區(qū)遠(yuǎn)場區(qū)：電場和磁場隨距離衰減的速率是一樣的，

34、都是與距離呈反比例衰減。5遠(yuǎn)場區(qū)電場與遠(yuǎn)場區(qū)電場與磁磁場場的比的比值值（波阻抗）：（波阻抗）：是定值，為377。6 遠(yuǎn)場區(qū)內(nèi)遠(yuǎn)場區(qū)內(nèi)：電場和磁場隨頻率的增加線性增加，這一點與電流環(huán)路不同。與電流環(huán)路同樣的理由，在設(shè)備電磁兼容性滿足與否的預(yù)測中，常用下面的公式： e = 2z0 i l / (2 d) v/m常用的差模輻射預(yù)測公式考慮地面反射時：考慮地面反射時： e = 2.6 i a f 2 /d （ v/m）電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)中，對輻射發(fā)射的限制一般體現(xiàn)在電場，因此，用上面的公式可以預(yù)測電路的差模輻射是否會導(dǎo)致輻射發(fā)射超標(biāo)。也可以用這個公式計算為了滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的輻射發(fā)射，所允許的最大環(huán)路面

35、積，或最大電流。對于脈沖電路，f 是脈沖電流的各次諧波。頻譜包絡(luò)線頻譜包絡(luò)線差模輻射頻率特性線差模輻射頻率特性線脈沖的差模輻射包絡(luò)線脈沖的差模輻射包絡(luò)線 1/ d 1/ tr40db/decfff- 20db/dec- 40db/dec e = 2.6 i a f 2 /d edb = 20lg（2.6 i a /d） +40lg f 40db/dec20db/dec將脈沖信號的頻譜包絡(luò)和差模輻射的頻率特性結(jié)合起來，就可以得到脈沖信號差模輻射的頻譜包絡(luò)線。脈沖信脈沖信號號的的頻譜頻譜包包絡(luò)線絡(luò)線：分為三段，平坦段，20db / dec下降段，40db / dec下降段。差模差模輻輻射的射的頻頻

36、率特性：率特性：隨著頻率的升高增加，增加速率為40db / dec。脈沖信脈沖信號號的差模的差模輻輻射射頻譜頻譜包包絡(luò)線絡(luò)線：與脈沖信號的頻譜包絡(luò)相對應(yīng)，分為三段，40db / dec增加段， 20db / dec增加段， 平坦段。這個包絡(luò)線中沒有包含絕對數(shù)值的信息。下面給出繪制含有絕對數(shù)值信息的輻射包絡(luò)線的方法。實際實際差模差模輻輻射包射包絡(luò)絡(luò)的的繪繪制：制：如果脈沖的峰-峰電流值、脈沖上升時間，和差模電流的環(huán)路面積已知，則可以繪出差模輻射的頻譜包絡(luò)線。由于相對包絡(luò)線是已知的，因此，只要計算出基頻的輻射就可以了。差模輻射包絡(luò)線的繪制步驟如下：1 1 求基求基頻電頻電流的幅度：流的幅度：如果脈

37、沖電流的幅度為i，則用傅立葉級數(shù)展開法求的基頻的幅度為：i1 = 0.64i。2 2 求基求基頻電頻電流差模流差模輻輻射的幅度：射的幅度：將i1帶入差模輻射計算公式，計算得到基頻的輻射強(qiáng)度。3 3 繪繪制差模制差模輻輻射包射包絡(luò)線絡(luò)線：在半對數(shù)坐標(biāo)紙（橫軸對數(shù)，縱軸線性）上定出基頻輻射的幅度。如果基頻 1 / d ，從基頻到 1 / tr按20db / dec 速率繪上升線， 1 / tr以上繪水平線。 說說明：明：從脈沖信號的輻射頻譜包絡(luò)中看出，盡管脈沖信號的高次諧波分量幅度較小，但是輻射出來的強(qiáng)度并不小。這就是為什么電子設(shè)備產(chǎn)生的輻射的頻率比工作時鐘頻率高得多的原因。不同邏輯電路為了滿足不

38、同邏輯電路為了滿足emiemi指標(biāo)要求所允許的環(huán)路面積指標(biāo)要求所允許的環(huán)路面積邏輯 系列 上升時間 電流 不同時鐘頻率允許的面積（cm2 ） 4mhz 10 30 100 4000b 40 6 1000 400 74hc 6 20 50 45 18 6 74ls 6 50 20 18 7.2 2.4 74ac 3.5 80 5.5 2.2 0.75 0.25 74f 3 80 5.5 2.2 0.75 0.25 74as 1.4 120 2 0.8 3 0.15 僅代表了一個環(huán)路的輻射情況，若有n個環(huán)路輻射，乘以 n 。因此，可能時，分散時鐘頻率。不同邏輯電路為了滿足不同邏輯電路為了滿足emi

39、emi指標(biāo)要求所允許的環(huán)路面積指標(biāo)要求所允許的環(huán)路面積當(dāng)給定信號環(huán)路的面積時，可以用上面介紹的差模輻射強(qiáng)度包絡(luò)線繪制方法可以繪出典型邏輯電路的輻射強(qiáng)度包絡(luò)線，然后與標(biāo)準(zhǔn)中對輻射發(fā)射的限制值進(jìn)行比較，可以知道電路輻射是否超標(biāo)。如果在計算過程中，將信號環(huán)路面積作為變量，可以求出來當(dāng)面積滿足什么條件時，某個差模信號環(huán)路的輻射不會引起超標(biāo)。本表中給出了，當(dāng)測試距離為10米，電磁輻射極限值在 30 - 230 mhz之間為30db v / m, 在 230 - 1000 mhz 之間為 37db v / m 的情況下，不同邏輯電路的面積限制。從表中可以看出，電路的速度越高、脈沖重復(fù)頻率越高，則允許的面積

40、越小。說說明明1 1：表中僅對單個環(huán)路的輻射進(jìn)行了計算，如果n個環(huán)路的信號頻率相同，則它們輻射的頻率也相同，強(qiáng)度疊加，則總輻射正比于 n 。因此，在設(shè)計電路時，盡量避免使用同一個時鐘來獲得不同的同步信號。如果，各個環(huán)路中電流的頻率不同，則沒有疊加的關(guān)系。說說明明2 2：絕不意味著只要電路滿足了這個條件（多個環(huán)路時，考慮疊加），pcb就能滿足emi指標(biāo)要求。因為線路板的輻射不僅有差模輻射，還有共模輻射。而共模輻射往往比差模輻射更強(qiáng)。說說明明3 3：如果線路板上某個環(huán)路不滿足這些條件，則pcb肯定會產(chǎn)生超標(biāo)電磁輻射。電路中的強(qiáng)輻射信號 1 10 100 1000 1 10 100 1000db v

41、/mdb v/m所有電路加電工作所有電路加電工作只有時鐘電路加電工作只有時鐘電路加電工作要布好線路板，減小線路板的電磁輻射，首先要搞清楚什么電路的輻射最強(qiáng)。在設(shè)計時重點考慮這些電路。周期信周期信號與隨號與隨機(jī)信機(jī)信號號的的頻譜頻譜：根據(jù)頻譜分析的理論，周期信號的頻譜為離散譜線，隨機(jī)信號的頻譜為連續(xù)譜。這意味著，周期信號的能量集中在有限的幾個頻率上，而隨機(jī)信號的能量分布在無限多個頻率上。因此，周期信號的能量更集中，更容易產(chǎn)生干擾。產(chǎn)產(chǎn)生最強(qiáng)生最強(qiáng)輻輻射的是周期信射的是周期信號號：觀察一下電子設(shè)備產(chǎn)生的輻射頻譜，可以注意到，最強(qiáng)的輻射肯定是單根譜線。將一塊線路板的所有電路加電與僅給時鐘部分加電，它

42、們產(chǎn)生的最大輻射強(qiáng)度基本是相同的。因此，線路板上的周期信號是產(chǎn)生輻射最強(qiáng)的信號。電路中的震蕩器、時鐘電路、地址總線的低位數(shù)據(jù)線、產(chǎn)生周期波形的功率電路（如開關(guān)電源中的開關(guān)管回路、crt顯示器的行掃描輸出等）等都是強(qiáng)輻射電路，在設(shè)計時要特別注意。由于周期信號是最強(qiáng)的輻射信號源，因此在分析解決電磁兼容問題時，如果整個設(shè)備加電不方便，只要保證時鐘或周期信號部分正常工作，就可以開展工作了。因為這時，其電磁輻射狀態(tài)也基本是實際最大輻射狀態(tài)。電流回路的阻抗在分析差模輻射時，最重要的一點是知道差模電流的實際路徑，從而確定差模電流的環(huán)路面積。要明確的一點是：實際的電流并不是按照你所設(shè)計的路徑流動，而是選擇阻抗

43、最小的路徑流動。所以，估算電流路徑的實際阻抗是十分重要的一步。只要確定出最小阻抗的路徑，也就確定了差模電流的路徑。電流回路的阻抗：電流回路的阻抗：電流回路的阻抗由兩部分組成，導(dǎo)線的電阻和環(huán)路的電感形成的感抗。頻率較低時，感抗很小，回路的阻抗主要由電阻決定。當(dāng)頻率較高時，電感的感抗所占比重越來越大，回路的阻抗主要由電感決定。回路的電感越大，阻抗越高。電流回路的阻抗lriz = r + j ll = / i a影響回路電感的因素：影響回路電感的因素：根據(jù)定義，回路的電感 = / i， 是回路中的磁通量，i 是回路中的電流。顯然，回路的面積越大，則回路所包圍的磁通量越大，電感量也越大。因此，回路的阻

44、抗與回路的面積成正比。電流回路的阻抗實驗證實驗證明：明：通過圖中所示的實驗可以更加明確在高頻時回路的面積決定了回路的阻抗。有關(guān)實驗的說明如下：實驗實驗裝置：裝置：同軸電纜的一端接信號發(fā)生器，頻率可變；另一端接電阻負(fù)載。同軸電纜的兩端外皮（金屬編織層）用一根短粗的銅線連接起來，銅線的電阻和電感都很小。在銅線上套一個電流卡鉗，用示波器監(jiān)視銅線中電流的大小。實驗現(xiàn)實驗現(xiàn)象：象：將信號源的頻率從低往高調(diào)，觀察銅線中電流的變化?？梢园l(fā)現(xiàn)：當(dāng)頻率低于1khz時，電流幾乎全部走銅線，當(dāng)頻率高于10khz時，電流幾乎全部在同軸電纜的外屏蔽層，在1khz 和10khz 之間，兩個路徑都有。lriz = r + j ll = / i a單層或雙層板如何減小環(huán)路的面積單層或雙層板如何減小環(huán)路的面積出于成本的考慮，在一般民用設(shè)備中都使用單層或雙層印刷線路板。隨著數(shù)字脈沖電路廣泛應(yīng)用，單層板和雙層板的電磁兼容問題越來越突出。造成這種現(xiàn)象的主要原因之一就是信號回路面積過大。不僅產(chǎn)生了較強(qiáng)的電磁輻射，而且使電路對外界干擾敏