電子系統(tǒng)中噪聲抑制技術(shù)的研究教材

第*章具體章節(jié)標題電磁兼容技術(shù)論文論文題目：電子系統(tǒng)中噪聲抑制技術(shù)的研究學(xué)院：電子工程學(xué)院年級：專業(yè)：姓名：學(xué)號：任課教師：2013年12月27日.2地噪聲圖為一個地噪聲的示意圖：當門電路1從高電平跳到低電平時，在高電平狀態(tài)，門電路1和2之間的電容被充電至電源電壓值，當跳到低電平時電容放電，在接地系統(tǒng)中產(chǎn)生一個很大的瞬時電流。由于寄生電感的存在，根據(jù)（式1）將在接地端子上產(chǎn)生一個很大的瞬態(tài)電壓。該電壓將會耦合到門電路4的輸入端，如果4的輸入端原來為低電平，則產(chǎn)生的干擾瞬時高電平將會使門電路4的狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。1.3傳輸線反射噪聲反射就是在傳輸線上的回波。信號功率(電壓和電流)的一部分傳輸?shù)骄€上并達到負載處，但是有一部分被反射了。源端與負載端阻抗不匹配會引起線上反射，負載將一部分電壓反射回源端。如果負載阻抗小于源阻抗，反射電壓為負；反之，如果負載阻抗大于源阻抗，反射電壓為正。如果源端與負載端具有相同的阻抗反射就不會發(fā)生了。布線的幾何形狀、不正確的線端接、經(jīng)過連接器的傳輸及電源平面的不連續(xù)接線，直角和銳角等因素均會導(dǎo)致此類反射。1.4數(shù)字電路的輻射數(shù)字電路的輻射按其方式可以分成差模輻射和共模輻射。差模輻射是由于電流流過電路中的導(dǎo)線環(huán)路造成的，如下圖所示。差模輻射用小環(huán)天線產(chǎn)生的輻射來模擬時，設(shè)電流為，面積為的小環(huán)，在自由空間為的遠場，測得的電場為：（式1）其中——電場——頻率——面積——電流——距離——測量天線與輻射平面的夾角式1適用于放置在自由空間且表面無反射的小環(huán)，通訊產(chǎn)品在進行測試時并非處于自由空間，而是在地面上進行的，附加的地面反射會使測得的輻射增加6dB。因此，考慮到這一因素，式1必須乘上系數(shù)2。如果對地面反射作出修正并假設(shè)為最大輻射方向，則式1可改寫為：（式2）由式2可以看出，差模輻射與環(huán)路電流和環(huán)面積成正比，與電流頻率的平方成正比。共模輻射是由于電路中存在不希望的電壓降造成的，此電壓降使系統(tǒng)中某些部分處于高電位的共模電壓，當外部電纜與系統(tǒng)連接時，外部電纜在共模電壓的作用下被激勵，形成輻射電場的天線，如下圖所示。對于接地平面上長度為的短單極天線來說，在遠場處測量的電場強度幅值為：（式3）式中——電場——頻率——電纜中的共模電流——天線長度——測試距離如果發(fā)射在最大方向上，則式3可寫為：（式4）式4表明輻射與頻率、天線長度及流經(jīng)天線的共模電流的幅度成正比。1.5串擾是兩條信號線之間的耦合、信號線之間的互感和互容引起線上的噪聲。容性耦合引發(fā)耦合電流，是由于干擾源上的電壓變化在被干擾對象上產(chǎn)生感應(yīng)電流從而導(dǎo)致的電磁干擾；而感性耦合引發(fā)耦合電壓，是由于干擾源上的電流變化產(chǎn)生的磁場在被干擾對象的產(chǎn)生感應(yīng)電壓而導(dǎo)致的電磁干擾。串擾可能是數(shù)據(jù)進行高速傳輸中最重要的一個影響因素了。它是一個信號對另外一個信號耦合所產(chǎn)生的一種不受歡迎的能量值。根據(jù)麥克斯韋定律，只要有電流的存在，就會有磁場存在，磁場之間的干擾就是串擾的來源。1.5.1電流流向?qū)Υ當_的影響有兩種情況：分別是干擾源的電流流向與被干擾對象的電流流向相同和相反。通過實驗可以發(fā)現(xiàn)：在這兩種情況下，相同的干擾源造成的串擾不同，往往電流流向相反造成的串擾要大于電流流向相同造成的串擾。1.5.2兩線間距P和平行長度L對串擾的影響兩線間距和平行長度不同對串擾的影響不同，通過三組對比試驗：信號頻率相同時，分別改變兩線之間距離P和平行長度L。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：兩線間距越大，串擾強度越小；兩線平行長度越長，串擾強度越大。1.5.3干擾源信號頻率和上升時間對串擾強度的影響通過幾組實驗，當其他條件都相同，改變干擾源信號頻率的大小，我們發(fā)現(xiàn)：總體上當干擾信號的頻率增加時，串擾的強度也變大。但嚴格來講并不是干擾信號的頻率越大，串擾強度越大。因為還有一項重大的因素就是干擾源線網(wǎng)中驅(qū)動電源的上升的時間。同過研究發(fā)現(xiàn)，上升時間越短，串擾強度也就越大。1.5.4地平面對串擾的影響同樣通過幾組對比試驗，我們發(fā)現(xiàn)：傳輸線與地面之間的距離對串擾強度有很大的影響。傳輸線與地面的距離變大時，串擾的強度就會變大。從根本上講是因為傳輸線與地面之間的距離變化導(dǎo)致了傳輸線與地面之間介質(zhì)層厚度的變化。介質(zhì)厚度變大時，串擾強度也會相應(yīng)的變大，相反，介質(zhì)厚度變小時，串擾強度也會變小。第二章數(shù)字電路中噪聲的抑制方法2.1地噪聲的抑制瞬態(tài)地電流是系統(tǒng)內(nèi)部噪聲電壓和傳導(dǎo)與輻射問題的主要來源，為了盡量減小瞬態(tài)地電流所產(chǎn)生的噪聲，接地阻抗必須要小。為了能使地電路阻抗最小，接地電感大小必須減小至少一個數(shù)量級。2.1.1電感的最小化通過對電感的大小與電路物理特性之間的關(guān)系的研究分析，我們發(fā)現(xiàn)：電感的大小與導(dǎo)線的長度成正比；電感與導(dǎo)線直徑的對數(shù)或扁平導(dǎo)線的寬度成反比。對于單個圓柱型導(dǎo)線，如果位于電流回流路徑正上方，電感的大小為：若要扁平導(dǎo)線與圓柱形導(dǎo)線有相同的電感，那么寬w和直徑d滿足：w=1.57d。這說明，如果扁平導(dǎo)線與圓柱形導(dǎo)線截面積相同，則他們的電感量相同；對上述現(xiàn)象的分析，減小接地導(dǎo)線的長度和增大接地導(dǎo)線的截面積都是我們可以利用的減小接地電感的方法。但事實上，大型系統(tǒng)中有些導(dǎo)線是必須要很長，減小導(dǎo)線實現(xiàn)起來很難。而通過增大截面積來減小電感也很難實現(xiàn)，高集成密度的電路導(dǎo)線必須要細，導(dǎo)線的直徑或?qū)挾仍黾右槐叮瑢?dǎo)線的電感量才僅僅減少20%；如果使電感量減少50%，就必須要求導(dǎo)線尺寸增加500%。顯然以上兩種減小電感量大小的方法并不是實際運用中常用的方法。此外，另一種減小電感的方法是——為電路中電流提供多條路徑。這些路徑必須是電氣上并聯(lián)的，但不一定是物理上必須的路徑。研究發(fā)現(xiàn)，如果兩個相等的電感并聯(lián)，等效電感等于其中一個的一半。所以這是一種有效減小電路電感的方法。當兩跟導(dǎo)線平行時，在這種情況下計算電路的電感對電感值的影響很大不可忽略，必須考慮互感效應(yīng)。傳送相同方向的電流的兩根平行導(dǎo)線的電感為:如果兩根導(dǎo)線距離非常近，它們的互感等于自感，那么總電感就等于單個電感的原有值；如果兩跟導(dǎo)線非常遠，互感就可以忽略不計，總電感就等于原有電感的一半。所以并聯(lián)的兩根導(dǎo)線之間的距離不能太近。平行導(dǎo)線與地面的距離也會影響互感的大小，通過上文的分析，平行導(dǎo)線與地面的距離要盡可能的短，以此盡量的減小互感的大小。還有一種重要的減小電感的方法——使電流包圍起來的環(huán)路面積最小。若有兩根導(dǎo)線，導(dǎo)線中的電流方向相反，那么兩根導(dǎo)線的電感等于：如果兩根導(dǎo)線為緊耦合，它們的互感將等于自感，閉合回流上的電感等于零。高頻時同軸電纜接近這種理想情況，是正向電流線路與電流返回線路相互靠近是減小電感的一種有效措施。2.2電源噪聲的抑制研究發(fā)現(xiàn)電源噪聲可以通過合理的使用去耦電容的方法進行抑制。由于去耦電容必須能夠提供IC工作所需要的高頻電流（15MHz—150MHz），所以對去耦電容的寄生電感要求很嚴格，必須盡量的小。所以圓盤狀陶瓷電容和多層陶瓷電容才是首選。在IC開關(guān)期間，去耦電容必須能夠提供IC工作所需要的高頻電流。去耦電容的最小值可用下列公式計算：可以根據(jù)實際情況的要求，利用上面的公式可以求出需要的電容的大小。2.2.1電源去耦電源去偶的接線圖如下所示：為了有效的增強去偶效果，去耦電容的位置應(yīng)該盡量使電源線和地線靠近。增加電源端阻抗也可以很好的增強去耦效果，可以用鐵氧化體和細導(dǎo)線實現(xiàn)。還有其他的可選去耦方法：（1）采用不同封裝的IC；（2）采用可以安裝在IC下方的分布式平面電容；（3）采用安裝在IC插座上電容；（4）在電路板的無器件安裝側(cè)使用表面安裝（SMT）電容；（5）采用引線結(jié)構(gòu)的電容器，且電容器封裝在IC中。2.3傳輸線反射的抑制如果源端與負載端具有相同的阻抗反射就不會發(fā)生了。一次看來，實現(xiàn)阻抗匹配是實現(xiàn)抑制傳輸線反射的有效方法。而阻抗匹配可分為始端阻抗匹配和終端阻抗匹配。2.3.1始端阻抗匹配時段的阻抗匹配的方法就是在傳輸線的輸入端串接一個電阻器，是電路的輸出電阻與所用傳輸線的波阻抗相似。這種方法簡單易行，波形畸變也比較小。但是由于電流流經(jīng)低壓電平上升，從而降低了信號低電平的噪聲容限。一般規(guī)定低電平升高要低于0.2V，為此應(yīng)考慮減少負載門的個數(shù)來減小電阻R上的電壓降。2.3.2終端阻抗匹配終端匹配分為無源終端匹配和有源終端匹配。無源終端匹配就是在接收端的邏輯門的輸入端，即傳輸線的終端并聯(lián)一個電阻，其阻值應(yīng)該近似的等于傳輸線的波阻抗。這種方法一般僅僅限于發(fā)送端采用功率驅(qū)動門的場合。如果用普通的邏輯門輸出時，并聯(lián)這樣的電阻負載，會使其輸出高電平噪聲容限下降。而采用有源終端匹配可以有效的減少無源終端匹配所造成的不良影響。2.4串擾的抑制方法根據(jù)以上對串擾產(chǎn)生機理的分析，我們可以采取一下的方法對串擾進行有效的抑制：1.對于普通的信號線，一般采用單股導(dǎo)線，雙絞線和屏蔽電纜。由于線間串擾與信號傳輸線間的耦合阻抗以及導(dǎo)線本身的特性阻抗有關(guān)，減少串擾應(yīng)選用特性阻抗低的導(dǎo)線。同軸電纜的特性阻抗較低的50Ω左右，所以串擾最小。但同軸電纜成本高，可應(yīng)用在環(huán)境條件嚴酷的現(xiàn)場。雙絞線的特性阻抗也不高，一般為100Ω左右，而且成本低，使用也方便。2.扁平電纜的串擾抑制（1）用一條扁平電纜傳輸多種電平信號時，必須按電平級別分組。不同組的導(dǎo)線間要保持一定的距離。（2）可把兩個相鄰信號線線的導(dǎo)線用一空閑導(dǎo)線分開，并把該空閑導(dǎo)線接地，這就把兩組相鄰導(dǎo)線間耦合電容轉(zhuǎn)化為對地電容。（3）在配線時，應(yīng)力求扁平電纜貼近接地底板。必要時，可專門給扁平電纜設(shè)置接地屏蔽底板，使導(dǎo)線之間的部分耦合電容轉(zhuǎn)化為對地電容。（4）如果干擾嚴重，可采用雙絞線結(jié)構(gòu)的扁平電纜，并把其中一線接地。這種電纜對抑制靜電干擾和空間干擾也有效。3.在可能的情況下降低信號沿的變換速率通常在器件選型的時候，在滿足設(shè)計規(guī)范的同時盡量選擇慢速的器件，并且避免不同種類的信號混合使用，因為快速變換的信號對慢變換的信號有潛在的串擾危險。4.阻抗匹配如果傳輸線近端或遠端終端阻抗與傳輸線阻抗匹配，也可以大大減小串擾的幅度。5.容性耦合和感性耦合產(chǎn)生的串擾隨受干擾線路負載阻抗的增大而增大,所以減小負載可以減小耦合干擾的影響。第三章PCB數(shù)字電路設(shè)計采用的抑制和布局方法3.1布線的基本原則3.1.1抑制接地噪聲布線為了盡量的抑制接地噪聲，布線要注意以下的要求。（1）為了減小接地阻抗和接地電感，應(yīng)該根據(jù)實際情況適當?shù)脑黾咏拥貙?dǎo)線截面積，并減小接地導(dǎo)線的長度。為接地導(dǎo)線采取電氣上并聯(lián)的方式給接地電流多條路經(jīng)。（2）為了抑制互感的強度，電流方向相同的傳輸線之間的距離要適當?shù)倪h，平行長度也要盡量的短。而電流方向相反的接地線之間的距離可以盡量的近，這樣可以達到減小互感的強度。（3）在接地端要對PCB板進行附銅，以此增大接地面積，可以減小地噪聲的影響。3.1.2減小電源噪聲布線去耦電容的位置應(yīng)該盡量使電源線和地線靠近。在電源端可以用鐵氧化體和細導(dǎo)線增加電源端阻抗以此來增強去耦效果。3.1.3抑制傳輸線反射布線應(yīng)采用四十五度走線，避免直角；接線要平滑連續(xù)，避免不連續(xù)現(xiàn)象和銳角。3.1.4抑制輻射和串擾布線（1）電路板分成多層布線，相鄰層信號線布局為正交方向。底層和頂層要附銅。（2）盡量少打過孔，打孔要均勻必須打孔時，應(yīng)兩線一起打以做到阻抗匹配。距板邊距離應(yīng)大于5mm。（3）數(shù)字地,模擬地要分開，高頻信號線盡可能短。（4）輸入,輸出信號盡量避免相鄰平行走線,最好在線間加地線,以防反饋耦合。（5）雙面板電源線,地線的走向最好與數(shù)據(jù)流向一致,以增強抗噪聲能力。（6）時鐘線和高頻信號線要根據(jù)特性阻抗要求考慮線寬,做到阻抗匹配。（7）單獨的電源層和地層,電源線,地線盡量短和粗,電源和地構(gòu)成的環(huán)路盡量小。（8）時鐘的布線應(yīng)少打過孔,盡量避免和其他信號線并行走線,且應(yīng)遠離一般信號線,避免對信號線的干擾;同時避開板上的電源部分,防止電源和時鐘互相干擾;當一塊電路板上有多個不同頻率的時鐘時,兩根不同頻率的時鐘線不可并行走線;時鐘線避免接近輸出接口,防止高頻時鐘耦合到輸出的CABLE線并發(fā)射出去;如板上有專門的時鐘發(fā)生芯片,其下方不可走線,應(yīng)在其下方鋪銅,必要時對其專門割地。（9）兩焊點間距很小時,焊點間不得直接相連;從貼盤引出的過孔盡量離焊盤遠些。（10）采用屏蔽措施為高速信號提供包地是解決串擾問題的一個有效途徑。然而，包地會導(dǎo)致布線量增加，使原本有限的布線區(qū)域更加擁擠。另外，地線屏蔽要達到預(yù)期目的，地線上接地點間距很關(guān)鍵，一般小于信號變化沿長度的兩倍。同時地線也會增大信號的分布電容，使傳輸線阻抗增大，信號沿變緩。（11）合理設(shè)置層和布線合理設(shè)置布線層和布線間距，減小并行信號長度，縮短信號層與平面層的間距，增大信號線間距，減小并行信號線長度（在關(guān)鍵長度范圍內(nèi)），這些措施都可以有效減小串擾。（12）設(shè)置不同的布線層為不同速率的信號設(shè)置不同的布線層，并合理設(shè)置平面層，也是解決串擾的好方法。（13）盡量增大可能發(fā)生容性耦合導(dǎo)線之間的距離,更有效的做法是在導(dǎo)線間用地線隔離;（14）在相鄰的信號線間插入一根地線也可以有效減小容性串擾,這根地線需要每1/4波長就接入地層。（15）感性耦合較難抑制,要盡量降低回路數(shù)量,減小回路面積,不要讓信號回路共用同一段導(dǎo)線。（16）避免信號共用環(huán)路。3.2布局的基本原則（1）功率大的元件擺放在有利于散熱的位置上。（2）熱敏元件應(yīng)遠離發(fā)熱元件。（3）對小尺寸高熱量的元件加散熱器尤為重要，大功率元件下可以通過敷銅來散熱，而且這些。（4）元件周圍盡量不要放熱敏元件。（5）先放置與結(jié)構(gòu)關(guān)系密切的元件，如接插件，開關(guān)，電源插座等（6）優(yōu)先擺放電路功能塊的核心元件及體積較大的元器件，