電路和系統(tǒng)的噪聲抑制技術(shù)學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1電路和系統(tǒng)的噪聲抑制電路和系統(tǒng)的噪聲抑制(yzh)技術(shù)技術(shù)第一頁，共53頁。第1頁/共53頁第二頁，共53頁。第2頁/共53頁第三頁，共53頁。華中科技大學(xué)電氣(dinq)與電子工程學(xué)院第3頁/共53頁第四頁，共53頁。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 盡量減少公共盡量減少公共(gnggng)(gnggng)阻抗值阻抗值 實(shí)行一點(diǎn)接地實(shí)行一點(diǎn)接地第4頁/共53頁第五頁，共53頁。電路外部（針對來自電路外部

2、的噪聲源）：電路外部（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(hào)的輸入輸出線用引線加接地的金屬屏蔽、遠(yuǎn)距離傳送信號(hào)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(hào)線長度、減少電路阻抗、對整個(gè)系統(tǒng)實(shí)行全可能縮短信號(hào)線長度、減少電路阻抗、對整個(gè)系統(tǒng)實(shí)行全屏蔽等措施屏蔽等措施 強(qiáng)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(hào)線遠(yuǎn)離產(chǎn)生采?。盒盘?hào)線遠(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

3、屏蔽等措電磁感應(yīng)的電力線、使二者相互垂直、施加電磁屏蔽等措施施 高頻高頻(o pn)(o pn)裝置、火花放電等產(chǎn)生的電磁波噪聲、汽裝置、火花放電等產(chǎn)生的電磁波噪聲、汽車點(diǎn)火拴噪聲、大功率調(diào)頻調(diào)幅電磁波、雷達(dá)波以及晶體車點(diǎn)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)生的高頻管內(nèi)部產(chǎn)生的高頻(o pn)(o pn)噪聲噪聲采?。焊魯嘣肼晜鬟f采?。焊魯嘣肼晜鬟f路徑為主的屏蔽、更換產(chǎn)生較大干擾的元器件等措施路徑為主的屏蔽、更換產(chǎn)生較大干擾的元器件等措施 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、浪涌抑制線路上設(shè)置各種濾波器、浪涌抑制器等器等第5頁/共53頁第六頁，共53頁。13

4、24寄生電容寄生電容當(dāng)門1的輸出從高變?yōu)榈蜁r(shí)，會(huì)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(gè)電壓直接反應(yīng)到門2的輸出端，成為門4 的輸入信號(hào)。當(dāng)幅度超過門4的噪聲門限時(shí)，導(dǎo)致門4 誤動(dòng)作。地線上的這些干擾不僅會(huì)引起電路的誤操作，還會(huì)造成傳導(dǎo)和輻射發(fā)射。為了(wi le)減小這些干擾，應(yīng)盡量減小地線的阻抗。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(hào)，其阻抗為9.24 ，遠(yuǎn)大于直流電阻。因此對于數(shù)字電路，減小地線電感是十分重要的。第6頁/共5

5、3頁第七頁，共53頁?？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(shí)行全面對微弱模擬量電路實(shí)行全面(qunmin)(qunmin)覆蓋的電磁屏蔽覆蓋的電磁屏蔽 采用直流隔離措施采用直流隔離措施第7頁/共53頁第八頁，共53頁。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(dòng)（影響基準(zhǔn)電壓）減小電源電壓脈動(dòng)（影響基準(zhǔn)電壓） 避免噪聲侵入輸入電路（尤其是高

6、輸入阻抗的模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，應(yīng)在輸入端設(shè)置箝位二極管，并采用放數(shù)轉(zhuǎn)換器，應(yīng)在輸入端設(shè)置箝位二極管，并采用放大器緩沖大器緩沖(hunchng)(hunchng)，抑制共模和差模噪聲后再，抑制共模和差模噪聲后再做模數(shù)轉(zhuǎn)換）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）分開第8頁/共53頁第九頁，共53頁。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)試情況：輸日本購置美國測量儀的調(diào)試情況：輸入為零時(shí)輸出信號(hào)

7、零點(diǎn)擺動(dòng)達(dá)入為零時(shí)輸出信號(hào)零點(diǎn)擺動(dòng)達(dá)3mV3mV，為滿量程的，為滿量程的2020，而在美國是正常，而在美國是正常的的電源頻率差異：美國按照電源頻率差異：美國按照60Hz60Hz時(shí)具有最佳噪聲抑制來設(shè)計(jì)時(shí)鐘頻時(shí)具有最佳噪聲抑制來設(shè)計(jì)時(shí)鐘頻率，其中率，其中1414位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘頻率位位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘頻率位983kHz983kHz，由，由1.966MHz1.966MHz的晶振產(chǎn)生；的晶振產(chǎn)生；日本電源頻率為日本電源頻率為50Hz50Hz，折算后晶振改為，折算后晶振改為1.6384MHz1.6384MHz，時(shí)鐘頻率降為，時(shí)鐘頻率降為819.2kHz819.2kHz，零點(diǎn)漂移降到，零點(diǎn)漂移降到0.

8、1mV0.1mV以下，能正常工作以下，能正常工作(gngzu)(gngzu)。 旁路電容的重要作用旁路電容的重要作用集成電路電源并旁路電容，降低電源的高頻阻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?？?，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第9頁/共53頁第十頁，共53頁。多個(gè)模擬量做模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)采用多路轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對模擬量多個(gè)模擬量做模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)采用多路轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對模擬量的切換的切換(qi hun)(qi hun)（只需一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器）（只需一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器） 半導(dǎo)體型（隔離式；集成

9、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) 采取措施采取措施加入共模扼流圈、變壓器雙重屏蔽接地、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的頻帶變窄降低對高頻噪聲的響應(yīng)能力；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采樣脈沖寬度）降低變壓器帶寬及增加采樣脈沖寬度）第10頁/共53頁第十一頁，共53頁。華中科技大學(xué)電氣(dinq)與電子

10、工程學(xué)院第11頁/共53頁第十二頁，共53頁。直流電壓噪聲容限直流電壓噪聲容限交流交流(jioli)(jioli)噪聲容限噪聲容限能量噪聲容限能量噪聲容限第12頁/共53頁第十三頁，共53頁。電源噪聲電源噪聲地線噪聲地線噪聲串?dāng)_串?dāng)_反射反射(fnsh)(fnsh)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(shí)產(chǎn)生的數(shù)字電路本身工作時(shí)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間觸發(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)該器件的抗干擾

11、能接入陶瓷電容以增強(qiáng)該器件的抗干擾能力力大量數(shù)據(jù)大量數(shù)據(jù)(shj)(shj)信息同時(shí)傳輸和變化信息同時(shí)傳輸和變化時(shí)注意抑制感應(yīng)噪聲，減少與其它控制時(shí)注意抑制感應(yīng)噪聲，減少與其它控制電路間的串?dāng)_電路間的串?dāng)_第13頁/共53頁第十四頁，共53頁。第14頁/共53頁第十五頁，共53頁。第15頁/共53頁第十六頁，共53頁。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，或通過漏電阻和分布電容接收外來噪端懸空，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

12、電容接收外來噪聲信號(hào)。而邏輯電路在其規(guī)定的頻率范圍內(nèi)，一旦輸入電平超過閾值電壓，不論是正常聲信號(hào)。而邏輯電路在其規(guī)定的頻率范圍內(nèi)，一旦輸入電平超過閾值電壓，不論是正常信號(hào)還是噪聲信號(hào)，都會(huì)使電路動(dòng)作信號(hào)還是噪聲信號(hào)，都會(huì)使電路動(dòng)作(dngzu)(dngzu)，尤其是對于內(nèi)部含有存儲(chǔ)元件的電路，尤其是對于內(nèi)部含有存儲(chǔ)元件的電路。第16頁/共53頁第十七頁，共53頁。對門電路一些建議的處理對門電路一些建議的處理(chl)方法（以與非門為例）：方法（以與非門為例）：(1) 多余輸入端接到單獨(dú)的電源上。多余輸入端接到單獨(dú)的電源上。(2) 在多余輸入端串聯(lián)一個(gè)在多余輸入端串聯(lián)一個(gè)1K10K之間的電阻，再

13、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)在正在使用的輸入端上。這樣可以加快響應(yīng)速度，但是信號(hào)源把多余輸入端并聯(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(hào)源功耗增大，所以引起的電源噪聲也會(huì)增大。功耗增大，所以引起的電源噪聲也會(huì)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?yàn)橐彩嵌嘤嗟?，其輸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?yàn)橐彩嵌嘤嗟模漭斎攵艘拥?。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(shí)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(shí)的輸出狀態(tài)后，再將多余輸入將多余輸入(shr)端

14、接到電源或者地。觸發(fā)器的輸出端也需要注意抗干擾端接到電源或者地。觸發(fā)器的輸出端也需要注意抗干擾，在觸發(fā)器兩個(gè)輸出端（，在觸發(fā)器兩個(gè)輸出端（Q和和 -Q）中僅只用一個(gè)輸出端（）中僅只用一個(gè)輸出端（Q）時(shí)，為了提）時(shí)，為了提高觸發(fā)器的抗干擾能力，可將高觸發(fā)器的抗干擾能力，可將 -Q輸出端對地接一個(gè)輸出端對地接一個(gè)1000p的瓷片電容，而的瓷片電容，而不是完全懸空，這樣不是完全懸空，這樣Q輸出端不易受噪聲影響，避免誤動(dòng)作。輸出端不易受噪聲影響，避免誤動(dòng)作。Q Q第17頁/共53頁第十八頁，共53頁。 數(shù)字電路常用數(shù)字電路常用(chn yn)(chn yn)電源電源 單邊開關(guān)電源（脈沖調(diào)寬或脈沖調(diào)頻式

15、）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、全橋式，變換整流濾波，半橋式、推挽式、全橋式，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一起不得將開關(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(yq)(yq)；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(hào)輸入輸出線不要沿開關(guān)電源線敷設(shè)信號(hào)輸入輸出線機(jī)殼接地與信號(hào)接地分開機(jī)殼接地與信號(hào)接地分開第18頁/共53頁第十九頁，共53頁

16、。周密考慮周密考慮(kol)(kol)沖擊電流措施（開關(guān)電源輸出的大容量濾波電容所致）沖擊電流措施（開關(guān)電源輸出的大容量濾波電容所致）考慮考慮(kol)(kol)高頻濾波電容的安裝位置高頻濾波電容的安裝位置: :啟動(dòng)開關(guān)電源時(shí)抑制輸出的大容量濾波電容引起浪涌電流的一個(gè)實(shí)例。這個(gè)(zh ge)電路在電源端負(fù)極串聯(lián)了一個(gè)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(shí)，通過R1為門極充電，Q1的充電時(shí)間和接通時(shí)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。第19

17、頁/共53頁第二十頁，共53頁。華中科技大學(xué)電氣(dinq)與電子工程學(xué)院第20頁/共53頁第二十一頁，共53頁。第21頁/共53頁第二十二頁，共53頁。當(dāng)數(shù)字電路出現(xiàn)電磁干擾的問題,許多有經(jīng)驗(yàn)的工程師會(huì)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成電路電磁干擾問題的原因(yunyn),但是不知道如何解決。因?yàn)?他們不知道這些噪聲是如何產(chǎn)生的。第22頁/共53頁第二十三頁，共53頁。Q1Q2Q3Q4R4R2R3R1VCC被驅(qū)動(dòng)電路被驅(qū)動(dòng)電路ICCI驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)I充充電電I放放電電IgVg第23頁/共53頁第二十四頁，共53

18、頁。Q1Q2Q3Q4R4R2R3R1VCC被驅(qū)動(dòng)電路被驅(qū)動(dòng)電路ICCI驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)I充充電電I放電放電IgVg第24頁/共53頁第二十五頁，共53頁。輸出ICCVCCIgVg第25頁/共53頁第二十六頁，共53頁。L = 0.002S(2.3lg ( 2S / W ) + 0.5 HWSMII式中：式中：S = 導(dǎo)體長度（導(dǎo)體長度（cm） W = 導(dǎo)體寬度導(dǎo)體寬度(kund)（cm） t = 導(dǎo)體厚度（導(dǎo)體厚度（cm）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(jì)算公式簡化為：，則電感計(jì)算公式簡化為：第26

19、頁/共53頁第二十七頁，共53頁。L = 0.002S(2.3lg ( 2S / W ) + 0.5 HWSMII控制走線的電感：從電感的計(jì)算公式中可以看出，電感與其長控制走線的電感：從電感的計(jì)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。但是電感隨著的導(dǎo)體(dot)(dot)的寬度的對數(shù)減小而減小。因的寬度的對數(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(shí)，電感僅減小倍時(shí)，電感僅減小2020。式中：S

20、 = 導(dǎo)體(dot)長度（cm） W = 導(dǎo)體(dot)寬度（cm）第27頁/共53頁第二十八頁，共53頁。WSL = ( L1L2 - M2 ) / ( L1 + L2 - 2M ) 若：若：L1 = L2L= ( L1 + M ) / 2MII第28頁/共53頁第二十九頁，共53頁。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(gè)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(shyng)。實(shí)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：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

21、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(gè)芯片的近旁應(yīng)該有地線，往往每隔11.5cm布一根地線。第29頁/共53頁第三十頁，共53頁。地線網(wǎng)格的制作方法：制作地線網(wǎng)格的一個(gè)關(guān)鍵是在布信號(hào)線之前布地線網(wǎng)格，否則地線網(wǎng)格的制作方法：制作地線網(wǎng)格的一個(gè)關(guān)鍵是在布信號(hào)線之前布地線網(wǎng)格，否則是十分困難的。盡管地線要盡量寬，但是除了作為直流電源主回路的地線由于要通過是十分困難的。盡管地線要盡量寬，但是除了作為直流電源主回路的地線由于要通過較大的電流，需要有一定的寬度外，地線網(wǎng)格中的其它導(dǎo)線并不需要很寬，即使有一較大的電流，需要有一定的寬度外，地線網(wǎng)格

22、中的其它導(dǎo)線并不需要很寬，即使有一根很窄的導(dǎo)線，也比沒有強(qiáng)。根很窄的導(dǎo)線，也比沒有強(qiáng)。地線網(wǎng)格的效果：兩塊線路板的布局和安裝的器件地線網(wǎng)格的效果：兩塊線路板的布局和安裝的器件(qjin)完全相同，只是一個(gè)有地完全相同，只是一個(gè)有地線網(wǎng)格，一個(gè)沒有地線網(wǎng)格，測量線路板上芯片之間的地線噪聲電壓值（線網(wǎng)格，一個(gè)沒有地線網(wǎng)格，測量線路板上芯片之間的地線噪聲電壓值（mV）如下）如下：測測 量量 點(diǎn)點(diǎn) IC1 IC2 IC1-IC3 IC1 IC4 IC1-IC11 IC7 IC15 IC15-IC16 單點(diǎn)接地單點(diǎn)接地 150 425 425 625 850 1000地線網(wǎng)格地線網(wǎng)格 100 150 1

23、20 200 125 100 第30頁/共53頁第三十一頁，共53頁。電源線電感電源線電感儲(chǔ)能電容儲(chǔ)能電容這個(gè)環(huán)路這個(gè)環(huán)路盡量小盡量小如前所述：邏輯門的輸出狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，電源線上會(huì)有電流突變，由于電源線的電感效應(yīng)，會(huì)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(huì)產(chǎn)生輻射。因此必須設(shè)法解決這個(gè)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(chǔ)能電容：儲(chǔ)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(shí)所需的大電流，這樣(zhyng)就避免了電源線上的電流發(fā)生突變，減小了感

24、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(chǔ)能電容也是必要的。這是由于儲(chǔ)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）。 第31頁/共53頁第三十二頁，共53頁。盡量使電源線與地線靠盡量使電源線與地線靠近近儲(chǔ)能電容安裝的位置：儲(chǔ)能電容的作用是為芯片提供瞬態(tài)高能量，因此在布線時(shí)，要盡量使它靠近芯片。這種提法有時(shí)不夠確切，更確切的要求是：使儲(chǔ)能電容的供電回路(hul)面積盡量小?；蛘哒f：儲(chǔ)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(chǔ)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

25、此，要減小這個(gè)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(chǔ)能電容：每片芯片的儲(chǔ)能電容在放電完畢后，需要及時(shí)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(gè)作用的電容為二級儲(chǔ)能電容。當(dāng)線路板上的芯片較少時(shí)，一只二級儲(chǔ)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(chǔ)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(gè)二級儲(chǔ)能電容。這個(gè)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。第32頁/共53頁第三十三頁，共53

26、頁。差模差模輻射輻射共模共模輻射輻射電流環(huán)電流環(huán)桿天桿天線線線路板電磁兼容設(shè)計(jì)的目的，除了保證電路工作可靠(kko)以外，一個(gè)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(gè)電路的電磁輻射和接收的能力往往是一致的，即一個(gè)電路的電磁輻射效率高，往往接收效率也高。因此，在設(shè)計(jì)中抑制線路板的電磁輻射，同時(shí)也就提高了線路板的抗干擾能力。輻射源：線路板的輻射主要產(chǎn)生于兩個(gè)源，一個(gè)是PCB走線，另一個(gè)是I/O電纜。根據(jù)輻射驅(qū)動(dòng)電流的模式，輻射分為差模輻射和共模輻射兩種。 差模輻射：電路工作電流在信號(hào)環(huán)路中流動(dòng)，這個(gè)信號(hào)環(huán)路會(huì)產(chǎn)生電磁輻射。由于這種電流是差模的，因此

27、信號(hào)環(huán)路產(chǎn)生的輻射稱為差模輻射。 共模輻射：當(dāng)傳輸信號(hào)的導(dǎo)體的電位與鄰近導(dǎo)體的電位不同時(shí)，在兩者之間就會(huì)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(huì)通過寄生電容流動(dòng)。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：由于共模說明：由于共模(n m)電壓都電壓都是設(shè)計(jì)意圖之外的（除了電場波是設(shè)計(jì)意圖之外的（除了電場波發(fā)射設(shè)備以外，沒有任何設(shè)備是發(fā)射設(shè)備以外，沒有任何設(shè)備是靠共?？抗材?n m)電壓工作的），電壓工作的），因此共模因此共模(n m)輻射比差模輻輻射比差模輻射更難預(yù)測和抑制。射更難預(yù)測和抑制。第33頁/共53頁第三十四頁，共5

28、3頁。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 / ( 2D) A/m E = Z0 IA / ( 2D) V/m ZW = Z0 = 377 AI隨頻率、距離(jl)增加而增加 Z0 f、D對差模輻射對差模輻射(fsh)，用電流環(huán)路模型用來進(jìn)行分析。公式中各量的定義：，用電流環(huán)路模型用來進(jìn)行分析。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(diǎn)到環(huán)路的距離觀測點(diǎn)到環(huán)路的距離(m)，Z0 = 自由空間的自由空間的阻

29、抗（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)第34頁/共53頁第三十五頁，共53頁。從公式得出(d ch)以下結(jié)論：1 近場區(qū)內(nèi)：磁場的輻射強(qiáng)度與頻率無關(guān)，這個(gè)公式對直流也是適用的。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 近場區(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 近場區(qū)內(nèi)：場強(qiáng)隨距離衰減很快。4 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)

30、電場與磁場的比值（波阻抗）：是定值，為377。6 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(huì)輻射出頻率比想象高得多的電磁波。因?yàn)?，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。第35頁/共53頁第三十六頁，共53頁。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

31、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 = 觀測點(diǎn)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(zh y)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(shí)際值很難預(yù)先估算出來。第36頁/共53頁第三十七頁，共53頁。從公式中可以看出：1 近場區(qū)內(nèi)：磁場的輻射強(qiáng)度與頻率無關(guān)，這個(gè)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(dinli)環(huán)路的

32、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 近場區(qū)內(nèi)：場強(qiáng)隨距離衰減很快，這一點(diǎn)與電流(dinli)環(huán)路是相同的。4 遠(yuǎn)場區(qū)：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)電場與磁場的比值（波阻抗）：是定值，為377。6 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(diǎn)與電流(dinli)環(huán)路不同。與電流(dinli)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第37頁/共53頁第三十八頁，共53頁?？紤]地面反射時(shí)：考慮地面反射時(shí)： E = 2.6 I A

33、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(ybn)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(huì)導(dǎo)致輻射發(fā)射超標(biāo)。也可以用這個(gè)公式計(jì)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)路面積，或最大電流。對于脈沖電路，f 是脈沖電流的各次諧波。第38頁/共53頁第三十九頁，共53頁。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

34、40dB/dec20dB/dec將脈沖信號(hào)的頻譜包絡(luò)和差模輻射的頻率特性結(jié)合起來，就可以(ky)得到脈沖信號(hào)差模輻射的頻譜包絡(luò)線。脈沖信號(hào)的頻譜包絡(luò)線：分為三段，平坦段，20dB / dec下降段，40dB / dec下降段。差模輻射的頻率特性：隨著頻率的升高增加，增加速率為40dB / dec。第39頁/共53頁第四十頁，共53頁。脈沖信號(hào)的差模輻射頻譜包絡(luò)線：與脈沖信號(hào)的頻譜包絡(luò)相對應(yīng)，分為三段，脈沖信號(hào)的差模輻射頻譜包絡(luò)線：與脈沖信號(hào)的頻譜包絡(luò)相對應(yīng)，分為三段，40dB / dec增加段，增加段， 20dB / dec增增加段，加段， 平坦段。這個(gè)包絡(luò)線中沒有包含絕對數(shù)值的信息。下面給出

35、繪制含有絕對數(shù)值信息的輻射包絡(luò)線的方法平坦段。這個(gè)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(shí)際差模輻射包絡(luò)的繪制：實(shí)際差模輻射包絡(luò)的繪制：如果脈沖的峰如果脈沖的峰-峰電流值、脈沖上升時(shí)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。由于峰電流值、脈沖上升時(shí)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(jì)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：相對包絡(luò)線是已知的，因此，只要計(jì)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 求基頻電流的幅度：如果脈沖電流的幅度為求基頻電流

36、的幅度：如果脈沖電流的幅度為I，則用傅立葉級數(shù)展開法求的基頻的幅度為：，則用傅立葉級數(shù)展開法求的基頻的幅度為：I1 = 0.64I。2 求基頻電流差模輻射的幅度：將求基頻電流差模輻射的幅度：將I1帶入差模輻射計(jì)算公式，計(jì)算得到基頻的輻射強(qiáng)度。帶入差模輻射計(jì)算公式，計(jì)算得到基頻的輻射強(qiáng)度。3 繪制差模輻射包絡(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。如果基頻繪制差模輻射包絡(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，從基頻到 1 / tr按按20dB / dec 速率速率(sl)繪上升線，繪上升線， 1 / tr以上繪以上繪

37、水平線。水平線。 說明：從脈沖信號(hào)的輻射頻譜包絡(luò)中看出，盡管脈沖信號(hào)的高次諧波分量幅度較小，但是輻射出來的強(qiáng)度并不小說明：從脈沖信號(hào)的輻射頻譜包絡(luò)中看出，盡管脈沖信號(hào)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(shí)鐘頻率高得多的原因。這就是為什么電子設(shè)備產(chǎn)生的輻射的頻率比工作時(shí)鐘頻率高得多的原因。第40頁/共53頁第四十一頁，共53頁。邏輯 系列 上升時(shí)間 電流 不同時(shí)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

38、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(gè)(y )環(huán)路的輻射情況，若有N個(gè)環(huán)路輻射，乘以 N 。因此，可能時(shí)，分散時(shí)鐘頻率。第41頁/共53頁第四十二頁，共53頁。當(dāng)給定信號(hào)環(huán)路(hun l)的面積時(shí)，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(jì)算過程中，將信號(hào)環(huán)路(hun l)面積作為變量，可以求出來當(dāng)面積滿足什么條件時(shí)，某個(gè)差模信號(hào)環(huán)路(h

39、un l)的輻射不會(huì)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，則允許的面積越小。說明1：表中僅對單個(gè)環(huán)路(hun l)的輻射進(jìn)行了計(jì)算，如果n個(gè)環(huán)路(hun l)的信號(hào)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(jì)電路時(shí)，盡量避免使用同一個(gè)時(shí)鐘來獲得不同的同步信號(hào)。如果，各個(gè)環(huán)路(hun l)中電流的頻率不同，則沒有疊加的關(guān)系。說明2：絕不意味

40、著只要電路滿足了這個(gè)條件（多個(gè)環(huán)路(hun l)時(shí)，考慮疊加），PCB就能滿足EMI指標(biāo)要求。因?yàn)榫€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)。說明3：如果線路板上某個(gè)環(huán)路(hun l)不滿足這些條件，則PCB肯定會(huì)產(chǎn)生超標(biāo)電磁輻射。第42頁/共53頁第四十三頁，共53頁。 1 10 100 1000 1 10 100 1000dB V/mdB V/m所有電路加電工作所有電路加電工作只有時(shí)鐘電路加電工作只有時(shí)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(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮這些電路。周期信號(hào)與隨機(jī)信號(hào)的頻譜：根據(jù)頻譜分析的理論，周期信號(hào)

41、的頻譜為離散譜線，隨機(jī)信號(hào)的頻譜為連續(xù)譜。這意味著，周期信號(hào)的能量集中在有限的幾個(gè)頻率上，而隨機(jī)信號(hào)的能量分布在無限多個(gè)頻率上。因此，周期信號(hào)的能量更集中，更容易產(chǎn)生干擾。產(chǎn)生最強(qiáng)輻射的是周期信號(hào)：觀察一下(yxi)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(shí)鐘部分加電，它們產(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(hào)是產(chǎn)生輻射最強(qiáng)的信號(hào)。電路中的震蕩器、時(shí)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(jì)時(shí)要特別注意。由于周期信號(hào)是最強(qiáng)的輻射信號(hào)源

42、，因此在分析解決電磁兼容問題時(shí)，如果整個(gè)設(shè)備加電不方便，只要保證時(shí)鐘或周期信號(hào)部分正常工作，就可以開展工作了。因?yàn)檫@時(shí)，其電磁輻射狀態(tài)也基本是實(shí)際最大輻射狀態(tài)。第43頁/共53頁第四十四頁，共53頁。在分析差模輻射時(shí)，最重要的一點(diǎn)是知道差模電流的實(shí)際路徑，從而確定差模電流的環(huán)路面積(min j)。要明確的一點(diǎn)是：實(shí)際的電流并不是按照你所設(shè)計(jì)的路徑流動(dòng)，而是選擇阻抗最小的路徑流動(dòng)。所以，估算電流路徑的實(shí)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(shí)，感抗很小，回路的阻抗主要由電阻

43、決定。當(dāng)頻率較高時(shí)，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。第44頁/共53頁第四十五頁，共53頁。LRIZ = R + j LL = / I A影響回路影響回路(hul)(hul)電感的因素：根據(jù)定義，回路電感的因素：根據(jù)定義，回路(hul)(hul)的電感的電感 = = / / I I， 是回路是回路(hul)(hul)中的磁通量，中的磁通量，I I 是回路是回路(hul)(hul)中的電流。顯然中的電流。顯然，回路，回路(hul)(hul)的面積越大，則回路的面積越大，則回路(hul)(hul)所包圍的磁通量越大，電感所包圍的磁通量越大，電感量也越

44、大。因此，回路量也越大。因此，回路(hul)(hul)的阻抗與回路的阻抗與回路(hul)(hul)的面積成正比。的面積成正比。第45頁/共53頁第四十六頁，共53頁。實(shí)驗(yàn)證明：通過圖中所示的實(shí)驗(yàn)可以更加明確在高頻時(shí)回路的面積決定了回路的阻抗。有關(guān)實(shí)驗(yàn)的說實(shí)驗(yàn)證明：通過圖中所示的實(shí)驗(yàn)可以更加明確在高頻時(shí)回路的面積決定了回路的阻抗。有關(guān)實(shí)驗(yàn)的說明如下：明如下：實(shí)驗(yàn)裝置：同軸電纜的一端接信號(hào)發(fā)生器，頻率可變；另一端接電阻負(fù)載實(shí)驗(yàn)裝置：同軸電纜的一端接信號(hào)發(fā)生器，頻率可變；另一端接電阻負(fù)載(fzi)。同軸電纜的兩端外。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

45、銅線上套一個(gè)電流卡鉗皮（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(gè)電流卡鉗，用示波器監(jiān)視銅線中電流的大小。，用示波器監(jiān)視銅線中電流的大小。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：將信號(hào)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)頻率低于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：將信號(hào)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(shí)，電時(shí)，電流幾乎全部走銅線，當(dāng)頻率高于流幾乎全部走銅線，當(dāng)頻率高于10kHz時(shí)，電流幾乎全部在同軸電纜的外屏蔽層，在時(shí)，電流幾乎全部在同軸電纜的外屏蔽層，在1kHz 和和10kHz 之間，兩個(gè)路徑都有。之間，兩個(gè)路徑都有。結(jié)論：高頻電流總是走電感最小的路徑，也就

46、是回路面積最小的路徑。結(jié)論：高頻電流總是走電感最小的路徑，也就是回路面積最小的路徑。LRIZ = R + j LL = / I A第46頁/共53頁第四十七頁，共53頁。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(hào)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感。要改善線路板的電磁兼容性，最簡單的方法是減小關(guān)鍵信號(hào)的回路面積。關(guān)鍵信號(hào)：從電磁兼容的角度考慮，關(guān)鍵信號(hào)主要指能產(chǎn)生較強(qiáng)輻射的信號(hào)和對外界敏感的信號(hào)。如前所述，能夠(nnggu)產(chǎn)生較強(qiáng)輻射的信號(hào)是周期性

47、信號(hào)，如時(shí)鐘信號(hào)或地址的低位信號(hào)。對干擾較敏感的信號(hào)是指那些電平較低的模擬信號(hào)。第47頁/共53頁第四十八頁，共53頁。減小回路面積的方法：一種簡單的方法是減小回路面積的方法：一種簡單的方法是在關(guān)鍵信號(hào)線邊上布一條地線，這條地線在關(guān)鍵信號(hào)線邊上布一條地線，這條地線應(yīng)盡量靠近信號(hào)線。這樣就形成了較小的應(yīng)盡量靠近信號(hào)線。這樣就形成了較小的回路面積，減小差模輻射和對外界干擾的回路面積，減小差模輻射和對外界干擾的敏感度。根據(jù)前面的分析，當(dāng)在信號(hào)線的敏感度。根據(jù)前面的分析，當(dāng)在信號(hào)線的旁邊加一條地線后，就形成了一個(gè)面積最旁邊加一條地線后，就形成了一個(gè)面積最小的回路，信號(hào)電流肯定會(huì)取道這個(gè)回路小的回路，信號(hào)電流肯定會(huì)取道這個(gè)回路，而不是其它地線路徑，而不是其它地線路徑(ljng)。如果是雙層線路板，可以在線路板的另一如果是雙層線路板，可以在線路板的另一面，緊靠近信號(hào)線的下面，沿著信號(hào)線布面，緊靠近信號(hào)線的下面，沿著信號(hào)線布一條地線，地線盡量寬些。這樣形成的