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導(dǎo)體傳導(dǎo)和共模第二講:共模噪聲產(chǎn)生(1)

發(fā)布時(shí)間:2014-07-15 責(zé)任編輯:willwoyo

【導(dǎo)讀】如導(dǎo)體傳導(dǎo)和共模第一講所述,當(dāng)噪聲通過(guò)電纜傳輸時(shí),成分中有普通模式和共模。同時(shí)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(dòng)被稱(chēng)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(jī)制。
在實(shí)際電子設(shè)備中,產(chǎn)生共模噪聲的機(jī)制非常復(fù)雜。因此,不能通過(guò)簡(jiǎn)單的模型進(jìn)行闡釋。這里介紹的模型包括帶有復(fù)雜數(shù)值的元件,如浮動(dòng)靜電容量,所以它們很難集成到設(shè)計(jì)中。但是,了解這些機(jī)制對(duì)設(shè)計(jì)低噪聲電子設(shè)備非常有用。

產(chǎn)生共模噪聲的示例

(1) 當(dāng)電纜連接到時(shí)鐘信號(hào)接地時(shí)
圖1展示了當(dāng)20MHz時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)5厘米MSL(微帶線(xiàn))傳輸時(shí),在30MHz到1GHz的頻率范圍內(nèi)和3米距離處測(cè)量噪聲發(fā)射。圖 1(a)給出了僅使用一個(gè)基板的測(cè)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(dāng)電纜連接到接地時(shí), 整體長(zhǎng)度為1/2波長(zhǎng)頻率(本例中為250MHz)附近,噪聲發(fā)射增大。
因此,可以說(shuō)將導(dǎo)體(如天線(xiàn))連接到PCB的接地會(huì)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(rèn)為共模噪聲被此接地感應(yīng)到了。
(圖1中的測(cè)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(chēng)其為MSL。)

(2) MSL在接地中也有噪聲
在本測(cè)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(shí)鐘信號(hào),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(guān)如圖1(c)所示。其中的信號(hào)發(fā)生器也在后續(xù)測(cè)試中被用作噪聲源。
這里使用的MSL與理想信號(hào)線(xiàn)路類(lèi)似。如圖所示,基板正面和背面變成導(dǎo)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(jī)制產(chǎn)生的嗎?如何抑制產(chǎn)生的噪聲呢?

產(chǎn)生共模噪聲的示例
圖1 產(chǎn)生共模噪聲的示例

[page]電流驅(qū)動(dòng)型模型

(1) 高接地阻抗高導(dǎo)致共模噪聲
在第一個(gè)模型中,我們將研究為什么會(huì)因?yàn)楦呓拥刈杩苟诮拥刂挟a(chǎn)生電壓。此模型被稱(chēng)為電流驅(qū)動(dòng)型 [參考文獻(xiàn) 5,6]。
圖2表明,當(dāng)信號(hào)來(lái)回經(jīng)過(guò)接地時(shí),左右接地中因?yàn)榻拥刈杩巩a(chǎn)生了電壓。噪聲隨著接地阻抗的變大而增強(qiáng)。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(xiàn)很細(xì)時(shí)
圖2表明,當(dāng)接地不是接地面而是很細(xì)的接地線(xiàn)時(shí),接地電感增加。產(chǎn)生噪聲也會(huì)增強(qiáng)。
圖3給出了當(dāng)圖1中的MSL替換為接地較窄的基板時(shí)的測(cè)量結(jié)果。相比圖1,可以發(fā)現(xiàn)噪聲顯著增強(qiáng),而且噪聲發(fā)射的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了 CISPR22的限值。此電平接近章節(jié)2-4(天線(xiàn)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(gè)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(chēng)為臟接地。

電流驅(qū)動(dòng)模型
圖2 電流驅(qū)動(dòng)模型


接地不良的基板發(fā)射噪聲的示例
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(xiàn)
這時(shí)我們可以假定連接到接地的電纜作為偶極子天線(xiàn)運(yùn)作,如圖4(a)所示。我們也可以認(rèn)為,流經(jīng)此天線(xiàn)的電流類(lèi)似于圖4(b)中所 示的電流,其中一部分信號(hào)電流為形成繞路的成分,經(jīng)過(guò)浮動(dòng)靜電容量卻不直接經(jīng)過(guò)信號(hào)線(xiàn)下面的接地。同樣地,當(dāng)電流在不同于原路徑的路徑上流動(dòng)時(shí),就會(huì)變成 共模噪聲的來(lái)源。[page]
通過(guò)在旁路中加入電纜和接地,此模型可以擴(kuò)展并變?yōu)轭?lèi)似于圖5中的模型。圖5中的模型解釋了在電纜中流動(dòng)的共模電流是如何產(chǎn)生的,參見(jiàn)章節(jié)5-2中圖3(b)。

電流路徑和接地發(fā)射噪聲的示例
圖4 電流路徑和接地發(fā)射噪聲的示例

通過(guò)電纜傳導(dǎo)共模電流的模型
圖5 通過(guò)電纜傳導(dǎo)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(dòng)型中的共模噪聲增強(qiáng)。因此,要抑制共模噪聲,可以:
(i)降低接地阻抗
•接地線(xiàn)為平板狀
•在基板下放置金屬板(稱(chēng)為接地層)并加強(qiáng)接地
•靠攏接地與信號(hào)線(xiàn)(以增加信號(hào)線(xiàn)和接地之間的互感)
•縮短接地線(xiàn)路(縮短返回電流的路徑,必須縮短信號(hào)線(xiàn))
(ii)減少電流
•增加負(fù)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(qiáng)接地。
但是,如圖1中的簡(jiǎn)單測(cè)試所示,即使是在信號(hào)線(xiàn)下面使用具有穩(wěn)定接地層的MSL,仍會(huì)產(chǎn)生少量的共模噪聲。這是因?yàn)椋灰獩](méi)有極其大的接地面,就會(huì)產(chǎn)生細(xì)微的電感。[page]

電壓驅(qū)動(dòng)型模型

(1) 在無(wú)流動(dòng)電流情況下產(chǎn)生噪聲
在電流驅(qū)動(dòng)型模型中,因?yàn)橥ㄟ^(guò)接地的電流流動(dòng)而產(chǎn)生電壓。因此,在沒(méi)有流動(dòng)電流時(shí)應(yīng)該就不會(huì)產(chǎn)生噪聲。但是,在真實(shí)電子設(shè)備中,即使信號(hào)線(xiàn)前面沒(méi)有連接任何元件,也會(huì)頻繁地產(chǎn)生共模噪聲。換言之,即使沒(méi)有電流流動(dòng),也會(huì)因施加到信號(hào)線(xiàn)上的電壓而產(chǎn)生噪聲。
例如,圖1中的測(cè)試移除了負(fù)載(50Ω終端)。圖6顯示了阻止電流流經(jīng)信號(hào)線(xiàn)時(shí)噪聲的變化。(a)表示有負(fù)載的情形,而(b)表示無(wú)負(fù)載的情形。沒(méi)有負(fù)載時(shí),噪聲減弱。但是,仍有220MHz噪聲。這一點(diǎn)無(wú)法通過(guò)電流驅(qū)動(dòng)型模型清楚地解釋。

沒(méi)有電流時(shí)產(chǎn)生噪聲的示例
圖6 沒(méi)有電流時(shí)產(chǎn)生噪聲的示例

(2) 共模電流流經(jīng)浮動(dòng)靜電容量
仍然存在的噪聲可通過(guò)電壓驅(qū)動(dòng)型模型來(lái)解釋。圖7簡(jiǎn)化并描述了電壓驅(qū)動(dòng)型 [參考文獻(xiàn) 5,6]。
當(dāng)兩個(gè)平行導(dǎo)體連接到噪聲源時(shí),具有相同導(dǎo)體長(zhǎng)度的部分成為傳輸線(xiàn)。即使導(dǎo)體前未連接任何元件,還是會(huì)有較少電流流經(jīng)線(xiàn)路間的浮動(dòng)靜電容量CDM。但是,因?yàn)榇穗娏鳛槠胀J剑肼暟l(fā)射會(huì)減弱。
但是,如果其中一個(gè)導(dǎo)體變長(zhǎng),噪聲源的一半電壓會(huì)施加到該導(dǎo)體上。這會(huì)與另一個(gè)導(dǎo)體形成一種偶極子天線(xiàn)。電壓驅(qū)動(dòng)型模型允許使用從傳輸線(xiàn)突出的導(dǎo)體以這種方式形成天線(xiàn)。
這時(shí),在天線(xiàn)中流動(dòng)的電流會(huì)流經(jīng)浮動(dòng)靜電容量Cant,如圖所示。

電壓驅(qū)動(dòng)模型
圖7 電壓驅(qū)動(dòng)模型

[page](3) 接地越寬,共模電壓越低
圖7描述了這樣一種機(jī)制: 如果將更長(zhǎng)的線(xiàn)路作為數(shù)字電路的接地,共模電流會(huì)流經(jīng)數(shù)字電路的接地(如圖8(a)所示)。即使信號(hào)電流和接地阻抗都非常小,但由于信號(hào)線(xiàn)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(guò)改動(dòng)圖8(a)中的模型,各信號(hào)線(xiàn)和接地都應(yīng)考慮朝向地線(xiàn)的浮動(dòng)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(dòng)靜電容量Cgnd的增加(也就是說(shuō)接地尺寸增大)而降低,信號(hào)線(xiàn)的浮動(dòng)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(lái)加強(qiáng)接地,共模噪聲會(huì)減少。通過(guò)圖8(b)所示模型就可理解這一點(diǎn)。

將電壓驅(qū)動(dòng)模型應(yīng)用于數(shù)字電路的示例
圖8 將電壓驅(qū)動(dòng)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(jī)制
如果我們考慮將電纜接至這樣的接地時(shí),可發(fā)現(xiàn)共模電流會(huì)流經(jīng)電纜(如圖9所示)。可以假定此模型通過(guò)朝向地線(xiàn)的浮動(dòng)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(guò)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(huì)增加噪 聲發(fā)射的強(qiáng)度。此模型展示了這個(gè)現(xiàn)象背后的機(jī)制。
此模型解釋了電纜中流動(dòng)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(duì)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(shí)質(zhì)上是相同路線(xiàn)。

通過(guò)電纜傳導(dǎo)的共模電流
圖9 通過(guò)電纜傳導(dǎo)的共模電流

在電壓驅(qū)動(dòng)型模型中,即使電流不流經(jīng)信號(hào)線(xiàn)或接地,且沒(méi)有接地阻抗,只要信號(hào)線(xiàn)中存在電壓(噪聲源),共模電流就會(huì)流經(jīng)浮動(dòng)靜電容量。[page]

(5) 減少共模噪聲
為有效減少電壓驅(qū)動(dòng)型中的共模噪聲(接地中產(chǎn)生電壓),需要增加Cgnd同時(shí)降低Csig也可以通過(guò)降低圖7和圖8中的Cant來(lái)減少噪聲電流。下面是有效達(dá)到這個(gè)目的的具體方法:
(i)穩(wěn)定接地電勢(shì)
•擴(kuò)大接地且為平板狀(增加Cgnd)
•靠攏信號(hào)線(xiàn)和接地(降低Csig)
•縮短信號(hào)線(xiàn),避免不必要的突出(降低Cant和Csig)
(ii)降低電壓
•降低驅(qū)動(dòng)電壓
•使用濾波器去除不需要的高頻率范圍
•在有浮動(dòng)噪聲源(散熱器)時(shí)連接到接地
(iii)降低噪聲源的浮動(dòng)靜電容量Cant
•避免誤將有強(qiáng)烈噪聲的元件靠近導(dǎo)線(xiàn)和金屬。
大多數(shù)噪聲抑制技術(shù)與電流驅(qū)動(dòng)型模型中使用的技術(shù)一樣。

(6) 通過(guò)加強(qiáng)接地抑制噪聲
在如圖1所示的噪聲測(cè)試中,可以觀(guān)察到同時(shí)連接了電流驅(qū)動(dòng)型噪聲和電壓驅(qū)動(dòng)型噪聲。
無(wú)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(guò)將MSL的寬度延長(zhǎng)到50毫米加強(qiáng)接地得到的噪聲測(cè)量結(jié)果。如果您使用多層基板等搭建一個(gè)足夠大的接地層,可通過(guò)這種方式抑制共模噪聲。
通過(guò)加強(qiáng)接地抑制共模噪聲
圖10 通過(guò)加強(qiáng)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(shí)在時(shí)鐘信號(hào)(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(shí),還必須盡可能地降低噪聲源和濾波器之間的接地阻抗。對(duì)于此測(cè)試而言,僅在噪聲源和濾波器之間使用MSL。
如果能在真實(shí)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(lái)抑制噪聲。

在接地不良的基板中使用濾波器抑制噪聲
圖11 在接地不良的基板中使用濾波器抑制噪聲
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