數(shù)字電路產(chǎn)生的噪聲

1、.wnp = £也一曰"£干擾電視抵j i干擾手機接i 收的頰翥：g收的靴率;2«04C06009001M0f< MLiarbCiw CMHzJ在數(shù)字電路中電磁噪聲產(chǎn)生的機制【導(dǎo)讀】由于有助于簡化電子設(shè)備設(shè)計和顯著提高性能，數(shù)字電路在電子設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。另一方面，數(shù)字電路相對而言更容易產(chǎn)生噪聲，也需要根據(jù)噪聲規(guī)定采取針對“不需要的輻射噪聲”的措施。圖1展示了使用數(shù)字電路的電子設(shè)備可能發(fā)出的噪聲的類型。通常，噪聲在很寬頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生，如果與電視和/或收音機等電子設(shè)備的頻率重疊，就會造成接收干擾。本章節(jié)將介紹數(shù)字電路產(chǎn)生這些噪聲的機制。內(nèi)置數(shù)字電

2、路的電子設(shè)備所發(fā)射噪聲的測量結(jié)果示例無線電波強度通過蟆率來測量圖1數(shù)字電路用于各種電子設(shè)備并成為噪聲的起因1 .信號頻率和噪聲之間的關(guān)系如圖2所示，數(shù)字電路通過切換高低信號電平操作電路，從而傳輸信息。切換信號電平的瞬間，高頻電流流過信號線。電流不僅在信號線中流動，也在電源和接地中流動。數(shù)字電路中使用的這些高頻電流被視為噪聲的起因。章節(jié)2將進一步介紹這些電流。在上升和下降時雅集噤聲能量*>1個循環(huán)250rt總接收信號的IC圖2數(shù)字信號白示例（4MHz寸鐘脈沖）圖3和4展示了通過改變數(shù)字電路產(chǎn)生的噪聲和信號頻率所測量的示例。圖中以時鐘脈沖發(fā)生器作為數(shù)字電路的示例，并通過放置在三米外測量區(qū)域（

3、電波暗室）內(nèi)的天線測量發(fā)生器產(chǎn)生的噪聲。在時鐘脈沖發(fā)生器的信號頻率從4MHz變?yōu)?0MHM變?yōu)?6MH現(xiàn)問，觀察噪聲發(fā)生變化的頻率間隔和水平。這樣就能在時鐘信號的離散頻率處觀察噪聲，這些成分被稱為信號的諧波。將在下一章節(jié)中進一步講述諧波。在圖4中的噪聲測量結(jié)果中，H表示的線顯示了水平極化無線電波的測量結(jié)果，而V表示的線顯示了垂直極化無線電波的測量結(jié)果。在本課程中，除非另行說明，下列各圖都將使用這一規(guī)則。無線電波暗室用干噪聲測量的天線轉(zhuǎn)臺時鐘脈沖發(fā)生器臊聲明察的測試樣本）圖3測量配置;如果信號頻率增加會怎么樣?toa信號濯形f50m/div.)4MHz增加特定時間段內(nèi)切換操作的次數(shù)增加噪聲頻譜的

4、水平 同時擴大嫌漕的頻率間隔圖4數(shù)字電路所發(fā)出噪聲的示例2 .數(shù)字電路為什么會產(chǎn)生噪聲為闡釋數(shù)字電路產(chǎn)生的噪聲，我們以一個由兩個IC間的信號線組成的簡化電路為例。如圖5所示，我們考察這樣一種情形：一根連接兩個數(shù)字IC的信號線傳輸信息。兩個IC間的電流可以簡化為如圖6所示。參考文獻4在圖5和6中，一根信號線將信號從左側(cè)驅(qū)動器傳輸?shù)接覀?cè)驅(qū)動器。連接與電源側(cè)或接地側(cè)驅(qū)動器內(nèi)信號線相連的開關(guān)（包括一個晶體管），可能使信號電壓發(fā)生變化。當驅(qū)動器側(cè)的開關(guān)打開時，輸入終端的電容（多個pF的極少量靜電容量）在接收器側(cè)充電或放電。當驅(qū)動器輸出的信號電壓根據(jù)電容的充電和放電變化時，信息從驅(qū)動器傳輸?shù)浇邮掌?。圖7展

5、示了切換瞬間電流和電壓的示意圖。圖7還展示了針對驅(qū)動器IC輸出電阻（R）的建模。信號電平切換的速度視輸出電阻和電容而變。請注意，本模型經(jīng)過了大量簡化，僅能展示電路的運行，而不足以解釋噪聲。后文中將介紹更為實際的模型。在這種情況下，兩個IC間的電流流經(jīng)圖6中電容充電側(cè)的橙色路徑，在放電側(cè)則流經(jīng)圖中的藍色路徑。這一電流使數(shù)字電路產(chǎn)生噪聲。由源模式f連接至3V)去耕空客器接地模式t售接至3)數(shù)字信號rLTL信號愎式發(fā)送信號的IC1驅(qū)動器.接收信號的IG接收器j圖5連接數(shù)字電路的線路的示例圖6數(shù)字電路的運行模式電源(3盯Ca)從低到高時(b)從高到低時圖7信號電平改變時電流的流動由于此時電流是電容(電

6、容器)充電和放電所產(chǎn)生的，在信號切換的瞬間，電流像長釘一樣流動，如圖8(b)所示。這種波形包含各種頻率，通過用作天線的線路發(fā)射出來，從而造成噪聲干擾。根據(jù)電路的寄生電感，電流的突然變化會造成感應(yīng)電壓。電壓也成為噪聲的起因。因為噪聲源是驅(qū)動器內(nèi)的切換開關(guān)，所有可以說在圖5的模型中噪聲源在驅(qū)動器內(nèi)。電送V 口口去耦電客粉收器電壓和電流的方向,戰(zhàn)壬源形信號甫流波出貫通甯流波形時間電比和電流的波形線路中電流流動圖信號電壓 信號電流圖6指出了另一種綠色電流。這種電流被稱為短路電流，也會成為一種噪聲起因。 因為當驅(qū)動器內(nèi)的開關(guān)切換時，C-MO激字IC只在一瞬間使電源和接地相互連 接，會產(chǎn)生如圖8(b)中(

7、3)所示的類似長釘?shù)碾娏?。這種電流被 稱為短路電流。 它不會流進信號線，但會作為急劇變化的電流流進電源和接地。因此，這種電流可能成為電源和接地中噪聲的起因之一。圖8顯示，短路電 流流過驅(qū)動器內(nèi)開關(guān)的上方和下方。與信號電流不同，在信號上升和下降時短路電流的方向相同。因此，從頻率的角度而言，其頻率是雙重信號循環(huán)頻率。有時，牢記這個性質(zhì)有助于區(qū)分噪聲源或路徑與產(chǎn)生的噪聲頻率。頻率中被稱為諧波的成分會在循環(huán)頻率的整數(shù)倍處產(chǎn)生。這一部分將在后文中進一步講述。短路電流產(chǎn)生的噪聲可能在與信號的偶次諧波相重疊的頻率處（雙信號頻率的累積相乘）出現(xiàn)。因此，如果偶次諧波造成一個問題，除了信號之外，電源也可能是問題的

8、起因。為簡化模型，圖6顯示電容在信號線和接地之間。但事實上，電容也會存在于信號線和電源之間。所以，到電源和接地都有電流路徑。4.去耦電容器圖6中所示的電流路徑不僅包括信號線，也包括電源和接地。這就意味著連接信號線不足以傳輸信號，還必須將其連接至電源和接地。圖6的左側(cè)還顯示了“去耦電容器”。這是一種用于連接電源和接地的旁路電容器。盡管此電容器用于穩(wěn)定IC電源電壓或即時供應(yīng)電源電流，但在圖6的情形下，它也在傳輸信號的電流路徑中發(fā)揮著作用。去耦電容器的操作將在章節(jié)3-1中進一步講述。去擢電容“去耀"一詞原重是阻止 不需要的理舍；盡管未直攥務(wù)與到電路運行中t；三但在改進以下“三個廠中有著：更

9、要作用，a（i電源質(zhì):（5信號宸=（SI）=電磁曝聲國1）圖9平穩(wěn)運行的數(shù)字IC旁總會安裝去耦電容器我們來設(shè)想一下，如果沒有這個電容器，電流路徑是怎樣的。如圖10所示，流經(jīng)電源和接地的電流將通過遠離IC的電源流動，因而電感很大，無法正常流動（因此，信號脈沖波形會變形，或者IC操作速度減慢）。止匕外，由于產(chǎn)生噪聲的電流流過電路的區(qū)域很廣，產(chǎn)生的噪聲會更多。因此，去耦電容器是數(shù)字IC非常重要的組成部分，不僅是為了穩(wěn)定電壓（稱為“PI”-電源完整性），也是為了正確傳輸信號（稱為“SI”-信號完整性）和抑制電磁噪聲（EMI）。從EMI抑制的角度看，去耦電容器的運行體現(xiàn)在限制包含流入IC附近電源和接地的

10、噪聲的高頻電流，如圖10所示?！凹蛹痈唢L(fēng)都果用相同的路徑” 高制電流環(huán)相經(jīng)撞了三慎鼠/睢流環(huán)路變小，因為去藕 電宮器跳過了離帥電潦此他僅允許沒有急S）無去養(yǎng)電容器有去耦電容器圖10有/無去耦電容器的電流路徑的區(qū)別經(jīng)過去耦電容器的電流環(huán)路越小，產(chǎn)生的噪聲量就越小。信號質(zhì)量也將得到改善。因此，去耦電容器應(yīng)盡量靠近IC放置。章節(jié)3-1將詳細講述如何使用去耦電容器。5 .共模噪聲的感應(yīng)圖6所示的信號電流形成了一個電流環(huán)路，并將此環(huán)路作為天線發(fā)射無線電波，如圖11所示。我們將其稱為普通模式電流發(fā)射噪聲。（為簡化噪聲發(fā)射機制，此示例通過環(huán)形天線建模。因為現(xiàn)實世界中的電子設(shè)備擁有更為復(fù)雜的形狀，無法僅通過一

11、個環(huán)形天線來表示。）容器也會成為環(huán)處天般的 一部分圖11普通模式電流發(fā)射噪聲除圖11所示的普通模式外，現(xiàn)實世界中的電子設(shè)備還會發(fā)出其他模式噪聲。如圖6所示，電流不僅會流經(jīng)信號線，也會流經(jīng)接地和電源線。這些電流可能導(dǎo)致產(chǎn)生更具影響力的噪聲，稱為共模噪聲，如圖12所示。這種產(chǎn)生共模噪聲的機制將在章節(jié)5-3中進一步講述。如果裁字IC連接的接地線很弱（阻抗高，電路電流導(dǎo) 致接堆中產(chǎn)生一些電壓這口：能表現(xiàn)為接地電箝波動） 這種現(xiàn)飄稱為“共模噪聲感應(yīng)”電子設(shè)備港地實際接地L接地電勢圖12共模噪聲的感應(yīng)共模噪聲不僅會出現(xiàn)在接地，也會出現(xiàn)在電源和信號線。由于接地延伸到印刷線路板周圍的所有區(qū)域，如果產(chǎn)生共模噪聲

12、，則電路板本身會作為天線發(fā)射噪聲,或者從用作天線的連接至印刷線路板的各種電纜發(fā)出。因為用作天線的導(dǎo)體遠遠大于信號線，盡管電壓很小，但卻會發(fā)出很強的噪聲。圖13展示了電子設(shè)備發(fā)射的概念圖（包括共模噪聲）。因信號電流原來的發(fā)射部分是由的普通模式發(fā)出的。因為天線很小，噪聲發(fā)射到達相對較小的區(qū)域。但是，如果電流感應(yīng)到了共模噪聲，整個印刷線路板可能成為天線，或電纜可能成為天線，導(dǎo)致更強的噪聲發(fā)射。共模噪聲不但容易產(chǎn)生，而且會通過接地和電源傳導(dǎo)，所以一旦產(chǎn)生了共模噪聲，就難以停止噪聲彳播。例如，圖13中的電纜連接至一個接口IC。然后共模噪聲會經(jīng)由此IC的電源和接地通過電纜傳導(dǎo)。要有效抑制噪聲，防止產(chǎn)生共模

13、噪聲非常重要。為此，降低接地的阻抗，以便抑制共模噪聲的出現(xiàn)（稱為接地增強），或者在信號線中使用EMI靜噪濾波器阻擋產(chǎn)生的電流。印屈或路板圖13共模噪聲的感應(yīng)和發(fā)射6 .信號中的諧波如上所述，傳輸信號的電流本身可能是數(shù)字電路中噪聲的起因之一。圖14提供的測量示例展示了20MHz時鐘信號轉(zhuǎn)變?yōu)樵肼暤倪^程。盡管數(shù)字信號的電壓波形是一種簡單的矩形波(如圖14(a)所示)，但卻可以分解為分散在很寬頻率范圍中的頻譜(如圖14(b)所示)。這些成分被稱為諧波。當諧波中某部分能量被釋放時，就會產(chǎn)生如圖14(c)所示的噪聲，進而導(dǎo)致噪聲干擾。如章節(jié)2.1所述，噪聲需要傳輸路徑和天線才能發(fā)射。在使用數(shù)字電路的電子設(shè)備中，連接各IC、印刷線路板、電纜和金屬殼體等的線路可以用作傳輸路徑和天線。一般而言，頻率越高，就越容易被發(fā)射為無線電波。因此，圖14(c)(測量發(fā)出的噪聲)中的諧波噪聲(幾百MH域更高)可能比圖14(b)(直接測量信號)中的諧波噪聲看起來更明顯。要有效抑制噪聲，了