数字电路产生的噪声

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。

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。

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图3 测量配置
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。

[参考文献 4]
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。

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
图 7 信号电平改变时电流的流动
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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。

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-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(3)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，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。

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10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。

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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。

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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。

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①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②可能成为天线，或电缆③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。

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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20 MHz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14(c)（测量发出的噪声）中的谐波噪声（几百MHz或更高）可能比图 14(b)（直接测量信号）中
的谐波噪声看起来更明显。

要有效抑制噪声，了解原信号中包含的谐波（图14(b)中所示）的本质非常重要。

下一章节将讲述谐波的本质。

图14 数字信号转变为噪声的过程。