数字电路产生的噪声..

1、在数字电路中电磁噪声产生的机制【导读】由于有助于简化电子设备设计和显著提高性能，数字电路在电子设备中得到了广泛应用。另一方面，数字电路相对而言更容易产生噪声，也需要根据噪声规定采取针对“不需要的辐射噪声”的措施。图1展示了使用数字电路的电子设备可能发出的噪声的类型。通常，噪声在很宽频率范围内产生，如果与电视和/或收音机等电子设备的频率重叠，就会造成接收干扰。本章节将介绍数字电路产生这些噪声的机制。内置数字电路的电子设备所发射噪声的测呈结果示例无线电波强度通过频率来测#:干扰调频:干扰屯视接；i干扰手机按1:收音机接：收前頻率？i收的频率！i收的频率：-i1i-S1i>>ii-iS-

2、I1.-1L'a8.-.ba8.-.ma.&aa.i"B0/!发射无线电锻底li白彳mEE20200600BOO1000图1数字电路用于各种电子设备并成为噪声的起因1. 信号频率和噪声之间的关系如图2所示，数字电路通过切换高低信号电平操作电路，从而传输信息。切换信号电平的瞬间，高频电流流过信号线。电流不仅在信号线中流动，也在电源和接地中流动。数字电路中使用的这些高频电流被视为噪声的起因。章节2将进一步介绍这些电流。图2数字信号的示例（4MHz时钟脉冲）图3和4展示了通过改变数字电路产生的噪声和信号频率所测量的示例。图中以时钟脉冲发生器作为数字电路的示例，并通过放置在三

3、米外测量区域（电波暗室）内的天线测量发生器产生的噪声。在时钟脉冲发生器的信号频率从4MHz变为20MHz再变为66MHz期间，观察噪声发生变化的频率间隔和水平。这样就能在时钟信号的离散频率处观察噪声，这些成分被称为信号的谐波。将在下一章节中进一步讲述谐波。在图4中的噪声测量结果中，H表示的线显示了水平极化无线电波的测量结果，而V表示的线显示了垂直极化无线电波的测量结果。在本课程中，除非另行说明,下列各图都将使用这一规则。（噪声观察的测试样本）无线电波暗室用于噪声测虽的天线转台图3测量配置如果倍号频率增加会怎么样？4MHz20MHz66MHz(a)信号波形(50ns/div,)塔加特定时间段内切

4、换抿件的次数(b)哩声发射频谱FW到lOWHz)3Frequency_£吕3一门召一au塔加噪声频谱的水平冋时扩大频谱的频率间隔图4数字电路所发出噪声的示例2. 数字电路为什么会产生噪声为阐释数字电路产生的噪声，我们以一个由两个IC间的信号线组成的简化电路为例。如图5所示，我们考察这样一种情形：一根连接两个数字IC的信号线传输信息。两个IC间的电流可以简化为如图6所示。在图5和6中，一根信号线将信号从左侧驱动器传输到右侧驱动器。连接与电源侧或接地侧驱动器内信号线相连的开关(包括一个晶体管)，可能使信号电压发生变化。当驱动器侧的开关打开时，输入终端的电容(多个pF的极少量静电容量)在接

5、收器侧充电或放电。当驱动器输出的信号电压根据电容的充电和放电变化时，信息从驱动器传输到接收器。图7展示了切换瞬间电流和电压的示意图。图7还展示了针对驱动器IC输出电阻(R)的建模。信号电平切换的速度视输出电阻和电容而变。请注意，本模型经过了大量简化，仅能展示电路的运行，而不足以解释噪声。后文中将介绍更为实际的模型。在这种情况下，两个IC间的电流流经图6中电容充电侧的橙色路径，在放电侧则流经图中的蓝色路径。这一电流使数字电路产生噪声。电源模式连接至刿）去耦巨容器数字信号TLT1忙号模武接地模式连接至sn发送信号的w驱动器）接收信号的2接收器）图5连接数字电路的线路的示例图6数字电路的运行模式电源

6、电溥W)(3V)駆动器i电压改变;电澹接收器777图7信号电平改变时电流的流动由于此时电流是电容(电容器)充电和放电所产生的，在信号切换的瞬间，电流像长钉一样流动，如图8(b)所示。这种波形包含各种频率，通过用作天线的线路发射出来，从而造成噪声干扰。根据电路的寄生电感，电流的突然变化会造成感应电压。电压也成为噪声的起因。因为噪声源是驱动器内的切换开关，所有可以说在图5的模型中噪声源在驱动器内。电懑汕卩短路电流去耦巨容器信亏电压信亏电流收器(a)电压和电流的方向图8线路中电流流动图3. 短路电流图6指出了另一种绿色电流。这种电流被称为短路电流，也会成为一种噪声起因。因为当驱动器内的开关切换时，C

7、-MOS数字IC只在一瞬间使电源和接地相互连接，会产生如图8(b)中所示的类似长钉的电流。这种电流被称为短路电流。它不会流进信号线，但会作为急剧变化的电流流进电源和接地。因此，这种电流可能成为电源和接地中噪声的起因之一。图8显示，短路电流流过驱动器内开关的上方和下方。与信号电流不同，在信号上升和下降时短路电流的方向相同。因此，从频率的角度而言，其频率是双重信号循环频率。有时，牢记这个性质有助于区分噪声源或路径与产生的噪声频率。频率中被称为谐波的成分会在循环频率的整数倍处产生。这一部分将在后文中进一步讲述。短路电流产生的噪声可能在与信号的偶次谐波相重叠的频率处（双信号频率的累积相乘）出现。因此，

8、如果偶次谐波造成一个问题，除了信号之外，电源也可能是问题的起因。为简化模型，图6显示电容在信号线和接地之间。但事实上，电容也会存在于信号线和电源之间。所以，到电源和接地都有电流路径。4. 去耦电容器图6中所示的电流路径不仅包括信号线，也包括电源和接地。这就意味着连接信号线不足以传输信号，还必须将其连接至电源和接地。图6的左侧还显示了“去耦电容器”。这是一种用于连接电源和接地的旁路电容器。尽管此电容器用于稳定IC电源电压或即时供应电源电流,但在图6的情形下,它也在传输信号的电流路径中发挥着作用。去耦电容器的操作将在章节3-1中进一步讲述。去耦电容器“去耦”一晰竄擡阻止不比要的耦合:尽管未直接巻与

9、到电路运行中在改进以下“三亍I"中有着:亜要件用：1（D电憑辰即fl）；（2）匚号辰即侶I）:电璀噪声（EMI）图9平稳运行的数字IC旁总会安装去耦电容器我们来设想一下，如果没有这个电容器，电流路径是怎样的。如图L0所示，流经电源和接地的电流将通过远离IC的电源流动，因而电感很大，无法正常流动（因此，信号脉冲波形会变形，或者IC操作速度减慢）。此外，由于产生噪声的电流流过电路的区域很广，产生的噪声会更多。因此，去耦电容器是数字IC非常重要的组成部分，不仅是为了稳定电压（称为“PI”-电源完整性），也是为了正确传输信号（称为“SI”-信号完整性）和抑制电磁噪声（EMI）。从EMI抑制的

10、角度看，去耦电容器的运行体现在限制包含流入IC附近电源和接地的噪声的高频电流，如图10所示。加和高頻都采用相同的路径高频电流环路经过了广泛护展z电流环路变小"因为去耦电容器绕过了髙频电流此惻仪允许没有鬲频电流的DC浣搖地模式堆迭信号的2（帳助器）（韵无去耦电容器有去耦电容器图10有/无去耦电容器的电流路径的区别经过去耦电容器的电流环路越小,产生的噪声量就越小。信号质量也将得到改善。因此，去耦电容器应尽量靠近IC放置。章节3-1将详细讲述如何使用去耦电容器。5. 共模噪声的感应图6所示的信号电流形成了一个电流环路，并将此环路作为天线发射无线电波，如图11所示。我们将其称为普通模式电流发

11、射噪声。（为简化噪声发射机制，此示例通过环形天线建模。因为现实世界中的电子设备拥有更为复杂的形状，无法仅通过一个环形天线来表示。信号电流由愴号电流产生的磁场客器也左氐为坏形云线的图11普通模式电流发射噪声除图11所示的普通模式外，现实世界中的电子设备还会发出其他模式噪声。如图6所示，电流不仅会流经信号线，也会流经接地和电源线。这些电流可能导致产生更具影响力的噪声，称为共模噪声，如图12所示。这种产生共模噪声的机制将在章节5-3中进一步讲述。丫如果数字IG连接的接地绻很弱阻抗高，电路电流导:致接比中产主一竺电正（这可能表现为接地电勢逋动）这种现象称拘乜共模噪声感应”电子设备接地实际接地搔地电势）

12、图12共模噪声的感应共模噪声不仅会出现在接地，也会出现在电源和信号线。由于接地延伸到印刷线路板周围的所有区域，如果产生共模噪声，则电路板本身会作为天线发射噪声，或者从用作天线的连接至印刷线路板的各种电缆发出。因为用作天线的导体远远大于信号线，尽管电压很小，但却会发出很强的噪声。图13展示了电子设备发射的概念图（包括共模噪声）。因信号电流原来的发射部分是由的普通模式发出的。因为天线很小，噪声发射到达相对较小的区域。但是，如果电流感应到了共模噪声，整个印刷线路板可能成为天线，或电缆可能成为天线，导致更强的噪声发射。共模噪声不但容易产生，而且会通过接地和电源传导，所以一旦产生了共模噪声，就难以停止噪

13、声传播。例如，图13中的电缆连接至一个接口IC。然后共模噪声会经由此IC的电源和接地通过电缆传导。要有效抑制噪声，防止产生共模噪声非常重要。为此，降低接地的阻抗，以便抑制共模噪声的出现（称为接地增强），或者在信号线中使用EMI静噪滤波器阻挡产生的电流。图13共模噪声的感应和发射6. 信号中的谐波如上所述，传输信号的电流本身可能是数字电路中噪声的起因之一。图14提供的测量示例展示了20MHz时钟信号转变为噪声的过程。尽管数字信号的电压波形是一种简单的矩形波(如图14(a)所示)，但却可以分解为分散在很宽频率范围中的频谱(如图14(b)所示)。这些成分被称为谐波。当谐波中某部分能量被释放时，就会产生如图14(c)所示的噪声，进而导致噪声干扰。如章节2.1所述，噪声需要传输路径和天线才能发射。在使用数字电路的电子设备中，连接各IC、印刷线路板、电缆和金属壳体等的线路可以用作传输路径和天线。一般而言，频率越高，就越容易被发射为无线电波。因此，图L4(c)(测量发出的噪声)中的谐波噪声(几百MHz或