【導讀】如導體傳導和共模第一講所述,當噪聲通過電纜傳輸時,成分中有普通模式和共模。同時也表明,噪聲電壓的產(chǎn)生以及電子設(shè)備接地中噪聲電流的流動被稱為共模噪聲。
在本章節(jié)中,我們將著重于接地中噪聲的產(chǎn)生,并研究產(chǎn)生共模噪聲的一些機制。
在實際電子設(shè)備中,產(chǎn)生共模噪聲的機制非常復雜。因此,不能通過簡單的模型進行闡釋。這里介紹的模型包括帶有復雜數(shù)值的元件,如浮動靜電容量,所以它們很難集成到設(shè)計中。但是,了解這些機制對設(shè)計低噪聲電子設(shè)備非常有用。
產(chǎn)生共模噪聲的示例
(1) 當電纜連接到時鐘信號接地時
圖1展示了當20MHz時鐘信號通過5厘米MSL(微帶線)傳輸時,在30MHz到1GHz的頻率范圍內(nèi)和3米距離處測量噪聲發(fā)射。圖 1(a)給出了僅使用一個基板的測量結(jié)果,而圖1(b)給出了將兩根25厘米電纜連接到接地的結(jié)果。據(jù)此可以推論,當電纜連接到接地時, 整體長度為1/2波長頻率(本例中為250MHz)附近,噪聲發(fā)射增大。
因此,可以說將導體(如天線)連接到PCB的接地會增加噪聲,這與章節(jié)5-2中圖5-2-2所示的情形一致。換言之,可以認為共模噪聲被此接地感應(yīng)到了。
(圖1中的測試使用了MSL兩端均接地的基板。這并非常規(guī)MSL的結(jié)構(gòu)。但是,本章節(jié)中還是稱其為MSL。)
(2) MSL在接地中也有噪聲
在本測試中,使用內(nèi)置3V電池的3厘米×3厘米小型屏蔽罩內(nèi)的振蕩電路產(chǎn)生了時鐘信號,以便中和除電纜和MSL以外元件所發(fā)射噪聲的效果。此設(shè)備的外觀如圖1(c)所示。其中的信號發(fā)生器也在后續(xù)測試中被用作噪聲源。
這里使用的MSL與理想信號線路類似。如圖所示,基板正面和背面變成導通的接地層,從根本上防止接地中產(chǎn)生電壓。這樣可以假設(shè)噪聲是由哪種機制產(chǎn)生的嗎?如何抑制產(chǎn)生的噪聲呢?
圖1 產(chǎn)生共模噪聲的示例
[page]電流驅(qū)動型模型
(1) 高接地阻抗高導致共模噪聲
在第一個模型中,我們將研究為什么會因為高接地阻抗而在接地中產(chǎn)生電壓。此模型被稱為電流驅(qū)動型 [參考文獻 5,6]。
圖2表明,當信號來回經(jīng)過接地時,左右接地中因為接地阻抗產(chǎn)生了電壓。噪聲隨著接地阻抗的變大而增強。而且,這種阻抗主要是由有接地模式的電感產(chǎn)生的。
(2) 接地線很細時
圖2表明,當接地不是接地面而是很細的接地線時,接地電感增加。產(chǎn)生噪聲也會增強。
圖3給出了當圖1中的MSL替換為接地較窄的基板時的測量結(jié)果。相比圖1,可以發(fā)現(xiàn)噪聲顯著增強,而且噪聲發(fā)射的速率遠遠超過了 CISPR22的限值。此電平接近章節(jié)2-4(天線直接連接到數(shù)字電路)中得到的電平。這表明接地都可能成為一個主要的噪聲源。
這種基板表示不良接地。同樣地,噪聲很多的接地可以被稱為臟接地。
圖2 電流驅(qū)動模型
圖3 接地不良的基板發(fā)射噪聲的示例
(3) 接地模式作為偶極子天線
這時我們可以假定連接到接地的電纜作為偶極子天線運作,如圖4(a)所示。我們也可以認為,流經(jīng)此天線的電流類似于圖4(b)中所 示的電流,其中一部分信號電流為形成繞路的成分,經(jīng)過浮動靜電容量卻不直接經(jīng)過信號線下面的接地。同樣地,當電流在不同于原路徑的路徑上流動時,就會變成 共模噪聲的來源。[page]
通過在旁路中加入電纜和接地,此模型可以擴展并變?yōu)轭愃朴趫D5中的模型。圖5中的模型解釋了在電纜中流動的共模電流是如何產(chǎn)生的,參見章節(jié)5-2中圖3(b)。
圖4 電流路徑和接地發(fā)射噪聲的示例
圖5 通過電纜傳導共模電流的模型
(4) 減少共模噪聲
隨著電流和接地阻抗的增加,電流驅(qū)動型中的共模噪聲增強。因此,要抑制共模噪聲,可以:
(i)降低接地阻抗
•接地線為平板狀
•在基板下放置金屬板(稱為接地層)并加強接地
•靠攏接地與信號線(以增加信號線和接地之間的互感)
•縮短接地線路(縮短返回電流的路徑,必須縮短信號線)
(ii)減少電流
•增加負載阻抗
•使用濾波器去除不需要的高頻率范圍成分
(i)中所述措施指的是加強接地。
但是,如圖1中的簡單測試所示,即使是在信號線下面使用具有穩(wěn)定接地層的MSL,仍會產(chǎn)生少量的共模噪聲。這是因為,只要沒有極其大的接地面,就會產(chǎn)生細微的電感。[page]
電壓驅(qū)動型模型
(1) 在無流動電流情況下產(chǎn)生噪聲
在電流驅(qū)動型模型中,因為通過接地的電流流動而產(chǎn)生電壓。因此,在沒有流動電流時應(yīng)該就不會產(chǎn)生噪聲。但是,在真實電子設(shè)備中,即使信號線前面沒有連接任何元件,也會頻繁地產(chǎn)生共模噪聲。換言之,即使沒有電流流動,也會因施加到信號線上的電壓而產(chǎn)生噪聲。
例如,圖1中的測試移除了負載(50Ω終端)。圖6顯示了阻止電流流經(jīng)信號線時噪聲的變化。(a)表示有負載的情形,而(b)表示無負載的情形。沒有負載時,噪聲減弱。但是,仍有220MHz噪聲。這一點無法通過電流驅(qū)動型模型清楚地解釋。
圖6 沒有電流時產(chǎn)生噪聲的示例
(2) 共模電流流經(jīng)浮動靜電容量
仍然存在的噪聲可通過電壓驅(qū)動型模型來解釋。圖7簡化并描述了電壓驅(qū)動型 [參考文獻 5,6]。
當兩個平行導體連接到噪聲源時,具有相同導體長度的部分成為傳輸線。即使導體前未連接任何元件,還是會有較少電流流經(jīng)線路間的浮動靜電容量CDM。但是,因為此電流為普通模式,噪聲發(fā)射會減弱。
但是,如果其中一個導體變長,噪聲源的一半電壓會施加到該導體上。這會與另一個導體形成一種偶極子天線。電壓驅(qū)動型模型允許使用從傳輸線突出的導體以這種方式形成天線。
這時,在天線中流動的電流會流經(jīng)浮動靜電容量Cant,如圖所示。
圖7 電壓驅(qū)動模型
[page](3) 接地越寬,共模電壓越低
圖7描述了這樣一種機制: 如果將更長的線路作為數(shù)字電路的接地,共模電流會流經(jīng)數(shù)字電路的接地(如圖8(a)所示)。即使信號電流和接地阻抗都非常小,但由于信號線中存在電壓(噪聲源),于是產(chǎn)生了電流。
在這種情況下,關(guān)于接地中產(chǎn)生的共模噪聲電壓,應(yīng)該作何考慮?通過改動圖8(a)中的模型,各信號線和接地都應(yīng)考慮朝向地線的浮動靜電容量,如圖8(b)所示。施加到此模型接地電容Cgnd的電壓變成共模電壓。
在圖8(b)中,隨著接地浮動靜電容量Cgnd的增加(也就是說接地尺寸增大)而降低,信號線的浮動靜電容量Csig的減小,共模電壓變小。一般而言,如果增大接地尺寸來加強接地,共模噪聲會減少。通過圖8(b)所示模型就可理解這一點。
圖8 將電壓驅(qū)動模型應(yīng)用于數(shù)字電路的示例
(4) 共模噪聲流經(jīng)電纜的機制
如果我們考慮將電纜接至這樣的接地時,可發(fā)現(xiàn)共模電流會流經(jīng)電纜(如圖9所示)??梢约俣ù四P屯ㄟ^朝向地線的浮動靜電容量回到噪聲源。如 果電纜這樣連接到接地,一部分共模電流(如圖8(a)中箭頭所示)將流過比圖9更大的路徑。一般而言,將電纜連接到有噪聲的接地會增加噪 聲發(fā)射的強度。此模型展示了這個現(xiàn)象背后的機制。
此模型解釋了電纜中流動的共模電流是如何產(chǎn)生的,如章節(jié)5-2中圖5-2-3(b)所示。為對應(yīng)章節(jié)5-2中的圖5-2-3,圖8和圖9中電流箭頭的方向相反。但實質(zhì)上是相同路線。
圖9 通過電纜傳導的共模電流
在電壓驅(qū)動型模型中,即使電流不流經(jīng)信號線或接地,且沒有接地阻抗,只要信號線中存在電壓(噪聲源),共模電流就會流經(jīng)浮動靜電容量。[page]
(5) 減少共模噪聲
為有效減少電壓驅(qū)動型中的共模噪聲(接地中產(chǎn)生電壓),需要增加Cgnd同時降低Csig也可以通過降低圖7和圖8中的Cant來減少噪聲電流。下面是有效達到這個目的的具體方法:
(i)穩(wěn)定接地電勢
•擴大接地且為平板狀(增加Cgnd)
•靠攏信號線和接地(降低Csig)
•縮短信號線,避免不必要的突出(降低Cant和Csig)
(ii)降低電壓
•降低驅(qū)動電壓
•使用濾波器去除不需要的高頻率范圍
•在有浮動噪聲源(散熱器)時連接到接地
(iii)降低噪聲源的浮動靜電容量Cant
•避免誤將有強烈噪聲的元件靠近導線和金屬。
大多數(shù)噪聲抑制技術(shù)與電流驅(qū)動型模型中使用的技術(shù)一樣。
(6) 通過加強接地抑制噪聲
在如圖1所示的噪聲測試中,可以觀察到同時連接了電流驅(qū)動型噪聲和電壓驅(qū)動型噪聲。
無論采用哪種模型,降低和穩(wěn)定接地阻抗都是非常重要的。例如,圖10給出了通過將MSL的寬度延長到50毫米加強接地得到的噪聲測量結(jié)果。如果您使用多層基板等搭建一個足夠大的接地層,可通過這種方式抑制共模噪聲。
圖10 通過加強接地抑制共模噪聲
(7) 使用EMI靜噪濾波器抑制噪聲
即使基板接地不良,也可以使用合適的EMI靜噪濾波器消除噪聲,從而抑制共模噪聲。
圖11給出了使用具有圖3中不良接地的基板時在時鐘信號(噪聲源)中使用π型EMI靜噪濾波器的示例。盡管此濾波器用于普通模式,但可以將其布置在噪聲源后面(在轉(zhuǎn)換為共模之前),從而有效抑制共模噪聲。此時,還必須盡可能地降低噪聲源和濾波器之間的接地阻抗。對于此測試而言,僅在噪聲源和濾波器之間使用MSL。
如果能在真實電子設(shè)備中以這種方式找到噪聲源,即使基板接地不良,也可使用普通模式EMI靜噪濾波器來抑制噪聲。
圖11 在接地不良的基板中使用濾波器抑制噪聲