連載?|?村田靜噪小課堂?:?噪聲問題復(fù)雜化的因素[八]

同學(xué)們,

《靜噪基礎(chǔ)課程》本期繼續(xù)開講！

上一章介紹的是

產(chǎn)生電磁噪聲的機制

本節(jié)為你詳細(xì)介紹噪聲的傳導(dǎo)和反射

第 3 章
噪 聲 問 題 復(fù) 雜 化 的 因 素

第1章 為什么需要EMI靜噪濾波器

第2章 產(chǎn)生電磁噪聲的機制

第3章 噪聲問題復(fù)雜化的因素

3-1.簡介

3-2.諧振和阻尼

3-3.噪聲的傳導(dǎo)和反射

• 3-3-1. 數(shù)字信號對脈沖波形的影響

  
  

• 3-3-2. 特性阻抗和反射

  
  

• 3-3-3. 數(shù)字電路阻抗匹配

  
  

• 3-3-4. 駐波

  
  

• 3-3-5. 阻抗因傳輸線路而變化

  
  

• 3-3-6. 多重反射導(dǎo)致的諧振

  
  

• 3-3-7. 數(shù)字信號的終止

  
  

• 3-3-8. 對EMC措施的影響

  
  

• 3-3-9. 如何防止噪聲傳導(dǎo)

  
  

• 3-3-10. S參數(shù)

  
  

3-4.源阻抗

3-5.小結(jié)

3-3噪聲傳導(dǎo)和反射

3-3-7. 數(shù)字信號的終止

?????????(1) 較長導(dǎo)線也需要針對數(shù)字信號進行終端匹配

前已述及，當(dāng)傳輸線路的特性阻抗等于負(fù)載阻抗時，所有能量將會傳輸?shù)截?fù)載而不會發(fā)生反射。這種狀況被稱為“匹配”。例如，圖3-3-11(a)和圖3-3-12(a)在信號線的末端連接了一個50Ω的電阻器，以便能夠與特性阻抗(50Ω)匹配。

在這種情況下，電場（電壓）和磁場（電流）是一致的，不會觀察到任何駐波。

圖3-3-18 阻抗匹配

如果是數(shù)字信號，當(dāng)C-MOS IC相互連接時，信號線兩端通常都會造成反射。但是，如果導(dǎo)線較短，諧振頻率就會非常高，不會導(dǎo)致任何實質(zhì)性的問題。如果導(dǎo)線變長，諧振頻率會降低，變得具有影響力，因而可能需要匹配。如圖3-3-19所示，可在驅(qū)動器側(cè)或接收器側(cè)進行阻抗匹配。

圖3-3-19 數(shù)字電路的阻抗匹配

(2) 驅(qū)動器側(cè)終端匹配

在驅(qū)動器側(cè)圖3-3-19(a)進行匹配時，將一個電阻器或鐵氧體磁珠串聯(lián)連接到信號線。這類似于電路的阻尼電阻器。特有的區(qū)別在于如何選擇電阻值。

選擇的電阻值要能補足驅(qū)動器側(cè)輸出電阻和特性阻抗之差。這時，接收器側(cè)仍會造成反射，導(dǎo)致信號線上存在駐波，使導(dǎo)線中部的波形失真。因此，這適用于導(dǎo)線中部未連接任何電路的一對一信號傳輸。

(3) 接收器側(cè)終端匹配

在接收器側(cè)圖3-3-19(b)進行匹配時，如圖所示將電阻值等于特性電阻的電阻器連接到地線或電源。在這種情況下，不會導(dǎo)致任何駐波，因此，即使是從導(dǎo)線中部提取信號，也能獲得規(guī)整的脈沖波形。

但是，由于電流流入負(fù)載電阻器，這種匹配也存在一些劣勢，如降低信號振幅，導(dǎo)致功率損耗。為了在靜止的狀態(tài)下減少功率損耗，可以加入電容器與電阻器串聯(lián)。

3-3-8. 對EMC措施的影響

盡管就產(chǎn)生駐波和諧振對傳輸數(shù)字信號而言是不利的現(xiàn)象，但它們是研究噪聲傳導(dǎo)和制定應(yīng)對措施時需要考慮的重要特性。當(dāng)物體噪聲頻率升高時，需要基于噪聲傳導(dǎo)路徑會像傳輸線一樣（產(chǎn)生駐波）的假設(shè)采取相應(yīng)措施和EMC措施。

關(guān)于主要影響的示例將在下面講述。

(1) 電壓和電流隨測量點變化

當(dāng)針對EMC措施使用探針尋找噪聲源時，即使在同一根導(dǎo)線上，但一個部分的噪聲比較大，而其他部分的噪音比較小。此外，就電壓和電流（磁場）而言，產(chǎn)生較大噪聲的位置不相同。因此，如果噪聲抑制前后的測量點不同，就無法正確評估產(chǎn)生的影響。

圖3-3-20顯示了頻譜的變化，以此作為使用如圖3-3-10所示測量系統(tǒng)移動測量點時導(dǎo)致變化的一個示例。

圖3-3-20 各點頻譜變化的示例

當(dāng)探針移動幾厘米時，可以發(fā)現(xiàn)頻譜的形狀和電平出現(xiàn)變化。如果要找出噪聲大的位置，就需要牢記這種變化，并在諸多點上進行測量，以確定噪聲強度。

(2) 阻抗和EMC措施相關(guān)元件的作用隨位置而變化

當(dāng)產(chǎn)生駐波時，電壓波腹（電流波節(jié)）處的阻抗高，而電壓波節(jié)（電流波腹）處的阻抗低。阻抗的高低影響著該位置所連接EMC措施相關(guān)元件的效果。（但是，駐波的形狀隨頻率而變化。因此，當(dāng)連接一個EMC措施相關(guān)元件時，不能一概斷定其對所有頻率位置而言是有利或不利。）

例如，圖3-3-21給出了圖3-3-11中電流駐波隨頻率發(fā)生的變化。電流大的地方阻抗?。ㄆt），電流小的地方阻抗大（偏藍）。可以發(fā)現(xiàn)這些位置根據(jù)頻率發(fā)生變化。

圖3-3-21 不同頻率處駐波變化的示例

一般而言，旁路電容器在阻抗降至超小值（電流波腹）的位置處具有較小的影響。圖3-3-9用箭頭了指出了這樣的位置。如果在此位置處放置一個元件，其對頻率的影響會減弱，因而需要另外使用鐵氧體磁珠等。（可以移動此位置。但可能會在另一個頻率處出現(xiàn)問題。）

相反，鐵氧體磁珠在阻抗局部超高點可能影響更弱。

就降噪效果而言，結(jié)合了電容器和鐵氧體磁珠的LC濾波器可能相對不那么容易受到阻抗波動的影響。

(3) 諧振頻率隨導(dǎo)線長度而變化

由于使傳輸線發(fā)生諧振的頻率會產(chǎn)生很大的電壓和電流，因此可能會導(dǎo)致很強的噪聲發(fā)射。此頻率隨導(dǎo)線長度而變化。因此，如果像圖中所示那樣因重新布置IC而改變導(dǎo)線長度，則可能在意想不到的頻率處使噪聲增大。這類問題難以預(yù)測，因為電路圖通常不會指明導(dǎo)線長度。

除了信號線之外，電源模式、電纜和屏蔽表面也可能形成傳輸線并導(dǎo)致諧振。這類諧振器就像完好的天線一樣，會發(fā)射噪聲。

圖3-3-22 導(dǎo)線長度變化導(dǎo)致諧振改變

(4) 電纜或屏蔽板會產(chǎn)生駐波，成為狀態(tài)完好的天線

就電纜連接至電子設(shè)備或者設(shè)備中使用金屬板作為天線的機制而言，這樣的導(dǎo)體可以被視為像傳輸線一樣產(chǎn)生諧振。（但是，天線的特性阻抗一般不是恒定的。）

例如，如圖3-3-23所示，當(dāng)電子設(shè)備連接至有開放端的電纜時，電纜可以被視為有開口端的傳輸線路。在這種情況下，電纜產(chǎn)生的駐波在端部的電流為零（如圖所示）。因此，基部的阻抗降低，電流在端部不連接任何元件的情況下流動。在電纜長度等于四分之一波長奇數(shù)倍的頻率處，會產(chǎn)生諧振，因而也可能發(fā)射噪聲。

這時，基部的阻抗較小，因此，噪聲可能會由增加阻抗的元件（如鐵氧體磁心）所控制。

圖3-3-23 帶開放端的電纜上產(chǎn)生電流

如圖3-3-24所示，如果一端有金屬板連接到地線（當(dāng)一端連接了屏蔽板時），會產(chǎn)生接地部件處電壓為零的駐波。使金屬板長度等于四分之一波長奇數(shù)倍的頻率會導(dǎo)致諧振，且很可能造成噪聲發(fā)射和感應(yīng)。如果兩端都連接到地線，會產(chǎn)生在兩端電壓均為零的駐波，因此，使金屬板長度等于二分之一波長整數(shù)倍的頻率會導(dǎo)致諧振。為消除這樣的問題，連接到地線的各點之間的間隔應(yīng)縮短到噪聲波長的大約十分之一或以下。

圖3-3-24 金屬板連接到地線，金屬板端作為天線

如上所述，在（較高）頻率范圍內(nèi)，其中電子設(shè)備所使用導(dǎo)體的大小超過四分之一波長（例如10cm時使用750MHz），導(dǎo)體可能作為天線。如果物體噪聲的頻率很高，則需要注意物體尺寸與波長之間的關(guān)系。

3-3.噪聲傳導(dǎo)和反射 - 重點內(nèi)容

√ 根據(jù)傳輸理論，電以波的形式進行傳導(dǎo)和反射。

√ 線路特性阻抗和負(fù)載阻抗之間的任何偏差都會導(dǎo)致反射。

√ 反射導(dǎo)致線路上產(chǎn)生駐波，進而使阻抗發(fā)生變化或者產(chǎn)生諧振。

√ 在使導(dǎo)線長度為二分之一波長的頻率間隔處，會反復(fù)產(chǎn)生諧振。

√ 可采用兩種方法來停止噪聲傳導(dǎo): 增強反射和內(nèi)部衰減。

√ 元件特征可通過S參數(shù)表示。

附：第三章參考文獻及下載

1. [1] [Japanese] 電気理論（第2版），池田哲夫，森北出版 2006

   
   

2. [2] High-Speed Digital Design: a Handbook of Black Magic，Howard Johnson, Martin Graham，Prentice Hall PTR, 1993

   
   

3. [3] High-Speed Signal Propagation: Advanced Black Magic，Howard Johnson, Martin Graham，Pearson Education, Inc. 2003

   
   

4. [4] [Japanese] よくわかるプリント板実裝の高速?高周波対策，井上博文，日刊工業(yè)新聞社 2009

   
   

5. 數(shù)字IC電源靜噪和去耦應(yīng)用手冊 (點擊下載PDF: 3.5MB) ，Murata Manufacturing Co., Ltd. Catalog C39C, 2010

   
   

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