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(jī)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(jī)制【導(dǎo)讀】由于有助于簡化電子設(shè)備設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)“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(jī)等電子設(shè)備的頻率重疊，就會(huì)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(jī)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(qiáng)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(hào)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(hào)電平操作電路，從而傳輸信息。切換信號(hào)電平的瞬間，高頻電流流過信號(hào)線。電流不僅在信號(hào)線中流動(dòng)，也在電源和接地中流動(dòng)。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(jìn)一步介紹這些電流。在上升和下降時(shí)雅集噤聲能量*>1個(gè)循環(huán)250rt總接收信號(hào)的IC圖2數(shù)字信號(hào)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(hào)頻率所測量的示例。圖中以時(shí)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(shí)鐘脈沖發(fā)生器的信號(hào)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(shí)鐘信號(hào)的離散頻率處觀察噪聲，這些成分被稱為信號(hào)的諧波。將在下一章節(jié)中進(jìn)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(tái)時(shí)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(hào)頻率增加會(huì)怎么樣?toa信號(hào)濯形f50m/div.)4MHz增加特定時(shí)間段內(nèi)切換操作的次數(shù)增加噪聲頻譜的

4、水平 同時(shí)擴(kuò)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(huì)產(chǎn)生噪聲為闡釋數(shù)字電路產(chǎn)生的噪聲，我們以一個(gè)由兩個(gè)IC間的信號(hào)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(gè)數(shù)字IC的信號(hào)線傳輸信息。兩個(gè)IC間的電流可以簡化為如圖6所示。參考文獻(xiàn)4在圖5和6中，一根信號(hào)線將信號(hào)從左側(cè)驅(qū)動(dòng)器傳輸?shù)接覀?cè)驅(qū)動(dòng)器。連接與電源側(cè)或接地側(cè)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)信號(hào)線相連的開關(guān)（包括一個(gè)晶體管），可能使信號(hào)電壓發(fā)生變化。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器側(cè)的開關(guān)打開時(shí)，輸入終端的電容（多個(gè)pF的極少量靜電容量）在接收器側(cè)充電或放電。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器輸出的信號(hào)電壓根據(jù)電容的充電和放電變化時(shí)，信息從驅(qū)動(dòng)器傳輸?shù)浇邮掌鳌D7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(duì)驅(qū)動(dòng)器IC輸出電阻（R）的建模。信號(hào)電平切換的速度視輸出電阻和電容而變。請(qǐng)注意，本模型經(jīng)過了大量簡化，僅能展示電路的運(yùn)行，而不足以解釋噪聲。后文中將介紹更為實(shí)際的模型。在這種情況下，兩個(gè)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(lán)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(hào)rLTL信號(hào)愎式發(fā)送信號(hào)的IC1驅(qū)動(dòng)器.接收信號(hào)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(yùn)行模式電源(3盯Ca)從低到高時(shí)(b)從高到低時(shí)圖7信號(hào)電平改變時(shí)電流的流動(dòng)由于此時(shí)電流是電容(電

6、容器)充電和放電所產(chǎn)生的，在信號(hào)切換的瞬間，電流像長釘一樣流動(dòng)，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(huì)造成感應(yīng)電壓。電壓也成為噪聲的起因。因?yàn)樵肼曉词球?qū)動(dòng)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(dòng)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(hào)甫流波出貫通甯流波形時(shí)間電比和電流的波形線路中電流流動(dòng)圖信號(hào)電壓 信號(hào)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(huì)成為一種噪聲起因。 因?yàn)楫?dāng)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的開關(guān)切換時(shí)，C-MO激字IC只在一瞬間使電源和接地相互連 接，會(huì)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(huì)流進(jìn)信號(hào)線，但會(huì)作為急劇變化的電流流進(jìn)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(dòng)器內(nèi)開關(guān)的上方和下方。與信號(hào)電流不同，在信號(hào)上升和下降時(shí)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(hào)循環(huán)頻率。有時(shí)，牢記這個(gè)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(huì)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(jìn)一步講述。短路電流產(chǎn)生的噪聲可能在與信號(hào)的偶次諧波相重疊的頻率處（雙信號(hào)頻率的累積相乘）出現(xiàn)。因此，如果偶次諧波造成一個(gè)問題，除了信號(hào)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(hào)線和接地之間。但事實(shí)上，電容也會(huì)存在于信號(hào)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(hào)線，也包括電源和接地。這就意味著連接信號(hào)線不足以傳輸信號(hào)，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(shí)供應(yīng)電源電流，但在圖6的情形下，它也在傳輸信號(hào)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(jìn)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(yùn)行中t；三但在改進(jìn)以下“三個(gè)廠中有著：更

9、要作用，a（i電源質(zhì):（5信號(hào)宸=（SI）=電磁曝聲國1）圖9平穩(wěn)運(yùn)行的數(shù)字IC旁總會(huì)安裝去耦電容器我們來設(shè)想一下，如果沒有這個(gè)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(yuǎn)離IC的電源流動(dòng)，因而電感很大，無法正常流動(dòng)（因此，信號(hào)脈沖波形會(huì)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(huì)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(hào)（稱為“SI”-信號(hào)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(yùn)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?yàn)槿ヅ?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(hào)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(xì)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(hào)電流形成了一個(gè)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(jī)制，此示例通過環(huán)形天線建模。因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)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(gè)環(huán)形天線來表示。）容器也會(huì)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(shí)世界中的電子設(shè)備還會(huì)發(fā)出其他模式噪聲。如圖6所示，電流不僅會(huì)流經(jīng)信號(hào)線，也會(huì)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(jī)制將在章節(jié)5-3中進(jìn)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(dòng)） 這種現(xiàn)飄稱為“共模噪聲感應(yīng)”電子設(shè)備港地實(shí)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(huì)出現(xiàn)在接地，也會(huì)出現(xiàn)在電源和信號(hào)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(huì)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?yàn)橛米魈炀€的導(dǎo)體遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)線，盡管電壓很小，但卻會(huì)發(fā)出很強(qiáng)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(hào)電流原來的發(fā)射部分是由的普通模式發(fā)出的。因?yàn)樘炀€很小，噪聲發(fā)射到達(dá)相對(duì)較小的區(qū)域。但是，如果電流感應(yīng)到了共模噪聲，整個(gè)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(qiáng)的噪聲發(fā)射。共模噪聲不但容易產(chǎn)生，而且會(huì)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(gè)接口IC。然后共模噪聲會(huì)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(qiáng)），或者在信號(hào)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(hào)中的諧波如上所述，傳輸信號(hào)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(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樵肼暤倪^程。盡管數(shù)字信號(hào)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(dāng)諧波中某部分能量被釋放時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生如圖14(c)所示的噪聲，進(jìn)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M(fèi)H域更高)可能比圖14(b)(直接測量信號(hào))中的諧波噪聲看起來更明顯。要有效抑制噪聲，了