圖1展示了使用數(shù)字電路的電子設(shè)備可能發(fā)出的噪聲的類型。通常，噪聲在很寬頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生，如果與電視和/或收音機(jī)等電子設(shè)備的頻率重疊，就會(huì)造成接收干擾。本章節(jié)將介紹數(shù)字電路產(chǎn)生這些噪聲的機(jī)制。

 
信號(hào)頻率和噪聲之間的關(guān)系

如圖2所示，數(shù)字電路通過(guò)切換高低信號(hào)電平操作電路，從而傳輸信息。切換信號(hào)電平的瞬間，高頻電流流過(guò)信號(hào)線。電流不僅在信號(hào)線中流動(dòng)，也在電源和接地中流動(dòng)。數(shù)字電路中使用的這些高頻電流被視為噪聲的起因。章節(jié)2將進(jìn)一步介紹這些電流。


圖3和4展示了通過(guò)改變數(shù)字電路產(chǎn)生的噪聲和信號(hào)頻率所測(cè)量的示例。圖中以時(shí)鐘脈沖發(fā)生器作為數(shù)字電路的示例，并通過(guò)放置在三米外 測(cè)量區(qū)域（電波暗室）內(nèi)的天線測(cè)量發(fā)生器產(chǎn)生的噪聲。在時(shí)鐘脈沖發(fā)生器的信號(hào)頻率從4MHz變?yōu)?0MHz再變?yōu)?6MHz期間，觀察噪聲發(fā)生變化的頻率 間隔和水平。這樣就能在時(shí)鐘信號(hào)的離散頻率處觀察噪聲，這些成分被稱為信號(hào)的諧波。將在下一章節(jié)中進(jìn)一步講述諧波。[page]
在圖4中的噪聲測(cè)量結(jié)果中，H表示的線顯示了水平極化無(wú)線電波的測(cè)量結(jié)果，而V表示的線顯示了垂直極化無(wú)線電波的測(cè)量結(jié)果。在本課程中，除非另行說(shuō)明，下列各圖都將使用這一規(guī)則。



數(shù)字電路為什么會(huì)產(chǎn)生噪聲

為闡釋數(shù)字電路產(chǎn)生的噪聲，我們以一個(gè)由兩個(gè)IC間的信號(hào)線組成的簡(jiǎn)化電路為例。
如圖5所示，我們考察這樣一種情形: 一根連接兩個(gè)數(shù)字IC的信號(hào)線傳輸信息。兩個(gè)IC間的電流可以簡(jiǎn)化為如圖6所示。[參考文獻(xiàn) 4]
在圖5和6中，一根信號(hào)線將信號(hào)從左側(cè)驅(qū)動(dòng)器傳輸?shù)接覀?cè)驅(qū)動(dòng)器。連接與電源側(cè)或接地側(cè)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)信號(hào)線相連的開(kāi)關(guān)（包括一個(gè)晶體管），可能 使信號(hào)電壓發(fā)生變化。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器側(cè)的開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，輸入終端的電容（多個(gè)pF的極少量靜電容量）在接收器側(cè)充電或放電。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器輸出的信號(hào)電壓根據(jù)電容的充電 和放電變化時(shí)，信息從驅(qū)動(dòng)器傳輸?shù)浇邮掌?。[page]

圖7展示了切換瞬間電流和電壓的示意圖。圖7還展示了針對(duì)驅(qū)動(dòng)器IC輸出電阻(R)的建模。信號(hào)電平切換的速度視輸出電阻和電容而變。請(qǐng)注意，本模型經(jīng)過(guò)了大量簡(jiǎn)化，僅能展示電路的運(yùn)行，而不足以解釋噪聲。后文中將介紹更為實(shí)際的模型。
在這種情況下，兩個(gè)IC間的電流流經(jīng)圖6中電容充電側(cè)的橙色路徑，在放電側(cè)則流經(jīng)圖中的藍(lán)色路徑。這一電流使數(shù)字電路產(chǎn)生噪聲。



由于此時(shí)電流是電容（電容器）充電和放電所產(chǎn)生的，在信號(hào)切換的瞬間，電流像長(zhǎng)釘一樣流動(dòng)，如圖8(b)所示。這種波形包含各種頻率，通過(guò)用作天線的線路發(fā)射出來(lái)，從而造成噪聲干擾。根據(jù)電路的寄生電感，電流的突然變化會(huì)造成感應(yīng)電壓。電壓也成為噪聲的起因。
因?yàn)樵肼曉词球?qū)動(dòng)器內(nèi)的切換開(kāi)關(guān)，所有可以說(shuō)在圖5的模型中噪聲源在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)。[page]


短路電流

圖6指出了另一種綠色電流。這種電流被稱為短路電流，也會(huì)成為一種噪聲起因。 因?yàn)楫?dāng)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的開(kāi)關(guān)切換時(shí)，C-MOS數(shù)字IC只在一瞬間使電源和接地相互連接，會(huì)產(chǎn)生如圖8(b)中(3)所示的類似長(zhǎng)釘?shù)碾娏鳌＿@種電流被 稱為短路電流。它不會(huì)流進(jìn)信號(hào)線，但會(huì)作為急劇變化的電流流進(jìn)電源和接地。因此，這種電流可能成為電源和接地中噪聲的起因之一。圖8顯示，短路電 流流過(guò)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)開(kāi)關(guān)的上方和下方。
與信號(hào)電流不同，在信號(hào)上升和下降時(shí)短路電流的方向相同。因此，從頻率的角度而言，其頻率是雙重信號(hào)循環(huán)頻率。有時(shí)，牢記這個(gè)性質(zhì)有助于區(qū)分噪聲源或路徑與產(chǎn)生的噪聲頻率。

頻率中被稱為諧波的成分會(huì)在循環(huán)頻率的整數(shù)倍處產(chǎn)生。這一部分將在后文中進(jìn)一步講述。短路電流產(chǎn)生的噪聲可能在與信號(hào)的偶次諧波相重疊的頻率處（雙信號(hào)頻率的累積相乘）出現(xiàn)。因此，如果偶次諧波造成一個(gè)問(wèn)題，除了信號(hào)之外，電源也可能是問(wèn)題的起因。
為簡(jiǎn)化模型，圖6顯示電容在信號(hào)線和接地之間。但事實(shí)上，電容也會(huì)存在于信號(hào)線和電源之間。所以，到電源和接地都有電流路徑。[page]

去耦電容器

圖6中所示的電流路徑不僅包括信號(hào)線，也包括電源和接地。這就意味著連接信號(hào)線不足以傳輸信號(hào)，還必須將其連接至電源和接地。
圖6的左側(cè)還顯示了“去耦電容器”。這是一種用于連接電源和接地的旁路電容器。盡管此電容器用于穩(wěn)定IC電源電壓或即時(shí)供應(yīng)電源電流，但在圖6的情形下，它也在傳輸信號(hào)的電流路徑中發(fā)揮著作用。去耦電容器的操作將在章節(jié)3-1中進(jìn)一步講述。


我們來(lái)設(shè)想一下，如果沒(méi)有這個(gè)電容器，電流路徑是怎樣的。如圖10所示，流經(jīng)電源和接地的電流將通過(guò)遠(yuǎn)離IC的電源流動(dòng)，因而電感很大，無(wú) 法正常流動(dòng)（因此，信號(hào)脈沖波形會(huì)變形，或者IC操作速度減慢）。此外，由于產(chǎn)生噪聲的電流流過(guò)電路的區(qū)域很廣，產(chǎn)生的噪聲會(huì)更多。
因此，去耦電容器是數(shù)字IC非常重要的組成部分，不僅是為了穩(wěn)定電壓（稱為“PI” - 電源完整性），也是為了正確傳輸信號(hào)（稱為“SI” - 信號(hào)完整性）和抑制電磁噪聲(EMI)。從EMI抑制的角度看，去耦電容器的運(yùn)行體現(xiàn)在限制包含流入IC附近電源和接地的噪聲的高頻電流，如圖 10所示。


經(jīng)過(guò)去耦電容器的電流環(huán)路越小，產(chǎn)生的噪聲量就越小。信號(hào)質(zhì)量也將得到改善。因此，去耦電容器應(yīng)盡量靠近IC放置。章節(jié)3-1將詳細(xì)講述如何使用去耦電容器。[page]

共模噪聲的感應(yīng)

圖6所示的信號(hào)電流形成了一個(gè)電流環(huán)路，并將此環(huán)路作為天線發(fā)射無(wú)線電波，如圖11所示。我們將其稱為普通模式電流發(fā)射噪聲。（為簡(jiǎn)化噪聲發(fā)射機(jī)制，此示例通過(guò)環(huán)形天線建模。因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)世界中的電子設(shè)備擁有更為復(fù)雜的形狀，無(wú)法僅通過(guò)一個(gè)環(huán)形天線來(lái)表示。）


除圖11所示的普通模式外，現(xiàn)實(shí)世界中的電子設(shè)備還會(huì)發(fā)出其他模式噪聲。如圖6所示，電流不僅會(huì)流經(jīng)信號(hào)線，也會(huì)流經(jīng)接地和電源 線。這些電流可能導(dǎo)致產(chǎn)生更具影響力的噪聲，稱為共模噪聲，如圖12所示。這種產(chǎn)生共模噪聲的機(jī)制將在章節(jié)5-3中進(jìn)一步講述。


共模噪聲不僅會(huì)出現(xiàn)在接地，也會(huì)出現(xiàn)在電源和信號(hào)線。由于接地延伸到印刷線路板周?chē)乃袇^(qū)域，如果產(chǎn)生共模噪聲，則電路板本身會(huì)作為天線發(fā)射噪 聲，或者從用作天線的連接至印刷線路板的各種電纜發(fā)出。因?yàn)橛米魈炀€的導(dǎo)體遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)線，盡管電壓很小，但卻會(huì)發(fā)出很強(qiáng)的噪聲。
圖13展示了電子設(shè)備發(fā)射的概念圖（包括共模噪聲）。因信號(hào)電流原來(lái)的發(fā)射部分是由①的普通模式發(fā)出的。因?yàn)樘炀€很小，噪聲發(fā)射到達(dá)相對(duì)較小的區(qū)域。但是，如果電流感應(yīng)到了共模噪聲，整個(gè)印刷線路板②可能成為天線，或電纜③可能成為天線，導(dǎo)致更強(qiáng)的噪聲發(fā)射。
共模噪聲不但容易產(chǎn)生，而且會(huì)通過(guò)接地和電源傳導(dǎo)，所以一旦產(chǎn)生了共模噪聲，就難以停止噪聲傳播。例如，圖13中的電纜連接至一個(gè)接口IC。然后共模噪聲會(huì)經(jīng)由此IC的電源和接地通過(guò)電纜傳導(dǎo)。[page]

要有效抑制噪聲，防止產(chǎn)生共模噪聲非常重要。為此，降低接地的阻抗，以便抑制共模噪聲的出現(xiàn)（稱為接地增強(qiáng)），或者在信號(hào)線中使用EMI靜噪濾波器阻擋產(chǎn)生的電流。


信號(hào)中的諧波

如上所述，傳輸信號(hào)的電流本身可能是數(shù)字電路中噪聲的起因之一。圖14提供的測(cè)量示例展示了20 MHz時(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樵肼暤倪^(guò)程。
盡管數(shù)字信號(hào)的電壓波形是一種簡(jiǎn)單的矩形波（如圖14(a)所示），但卻可以分解為分散在很寬頻率范圍中的頻譜（如圖14(b)所示）。這些成分被稱為諧波。當(dāng)諧波中某部分能量被釋放時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生如圖14(c)所示的噪聲，進(jìn)而導(dǎo)致噪聲干擾。

如章節(jié)2.1所述，噪聲需要傳輸路徑和天線才能發(fā)射。在使用數(shù)字電路的電子設(shè)備中，連接各IC、印刷線路板、電纜和金屬殼體等的線路可以用作傳輸路徑和天 線。一般而言，頻率越高，就越容易被發(fā)射為無(wú)線電波。因此，圖14(c)（測(cè)量發(fā)出的噪聲）中的諧波噪聲（幾百M(fèi)Hz或更高）可能比圖 14(b)（直接測(cè)量信號(hào)）中的諧波噪聲看起來(lái)更明顯。
要有效抑制噪聲，了解原信號(hào)中包含的諧波（圖14(b)中所示）的本質(zhì)非常重要。下一章節(jié)將講述諧波的本質(zhì)。