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(jī)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(jī)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(hào)對(duì)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(hào)的終止

  
  

• 3-3-8. 對(duì)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

3-3-3. 數(shù)字電路阻抗匹配

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(1) 數(shù)字信號(hào)特性阻抗

數(shù)字信號(hào)所使用信號(hào)線的特征阻抗有多大？

如圖3-3-6所示，在以電源層和接地層為內(nèi)層的4層電路板的表面有一根信號(hào)線，此信號(hào)線可以作為微帶線（以下稱為MSL）來處理，其中信號(hào)線的特性阻抗約為50Ω到150Ω。（如果有電源線，特性阻抗值可能更小。）

圖3-3-6 信號(hào)線的特性阻抗

(2) 很多數(shù)字電路都未實(shí)現(xiàn)阻抗匹配

與此相反，數(shù)字IC的輸入阻抗通常一個(gè)幾pF的電容，在頻率為100MHz及以下時(shí)，會(huì)變成100Ω以上的高阻抗。

因此，如圖3-3-7所示，數(shù)字電路的設(shè)計(jì)基本上會(huì)產(chǎn)生非常高的反射，從而導(dǎo)致在接收器處反射大部分信號(hào)能。

圖3-3-7 數(shù)字信號(hào)線的阻抗匹配狀態(tài)

此外，數(shù)字IC驅(qū)動(dòng)器側(cè)的輸出阻抗也會(huì)變化。因此，阻抗匹配并非總是在驅(qū)動(dòng)器側(cè)完成，而且也可能導(dǎo)致反射。所以，數(shù)字信號(hào)一般會(huì)在信號(hào)線兩端造成反射（如圖3-3-2所示），而且會(huì)在造成多重反射一定程度時(shí)被傳輸。

(3) 駐波指示匹配狀態(tài)

盡管為了便于解釋在圖3-3-4中分別描述了輸入波和反射波，但在正常測(cè)量中很難單獨(dú)觀察這兩種波形（因?yàn)槭静ㄧR只會(huì)顯示復(fù)合波形）。因此，可以按照后面的講述，通過觀察駐波來確定反射狀態(tài)。

如果因驅(qū)動(dòng)器側(cè)和接收器側(cè)的反射而產(chǎn)生多重反射，傳輸線會(huì)形成一種諧振器，使某個(gè)特定的頻率變得特別明顯。從正確傳輸數(shù)字信號(hào)波形（即“信號(hào)完整性”）的角度而言，傳輸線產(chǎn)生的諧振并不可取，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致振鈴。

此外，從EMC的角度來看，這也是不可取的，因?yàn)樗鼤?huì)在諧振頻率處增加噪聲。為抑制傳輸線產(chǎn)生的諧振，導(dǎo)線的兩端或者一端應(yīng)該靠近匹配狀態(tài)，以便吸收反射。

3-3-4. 駐波

(1) 電壓和電流隨測(cè)量點(diǎn)變化

在一定頻率處測(cè)量信號(hào)線上的噪聲時(shí)，如果終端處產(chǎn)生反射，就會(huì)觀察到如圖3-3-8所示的駐波。

圖3-3-8 駐波

在這種現(xiàn)象中，您會(huì)發(fā)現(xiàn)由于“入射波”（原信號(hào)）和反射波之間發(fā)生干擾，不同位置的信號(hào)長度會(huì)有所不同。這種駐波是傳輸線路復(fù)雜狀況的根本原因，這將在后面進(jìn)行描述。

如圖3-3-9所示，駐波較強(qiáng)處稱為“波腹”，而較弱處稱為“波節(jié)”。

圖3-3-9 電壓駐波和電流駐波

波腹和波節(jié)的位置隨頻率而有所不同。就其本質(zhì)而言，電壓的波腹位置會(huì)成為電流的波節(jié)，而電壓的波節(jié)位置會(huì)成為電流的波腹。

(2) 觀察數(shù)字信號(hào)中包含的駐波

圖3-3-10到3-3-12提供了觀察如圖3-3-5所示數(shù)字信號(hào)波形的駐波的示例。

圖3-3-10 駐波的測(cè)量范圍

圖3-3-11 磁場(chǎng)（電流）的測(cè)量結(jié)果

圖3-3-12 電場(chǎng)（電壓）的測(cè)量結(jié)果

在此，28cm長的信號(hào)線連接至33MHz時(shí)鐘脈沖信號(hào)，以便觀察信號(hào)線周圍的磁場(chǎng)和電場(chǎng)。磁場(chǎng)和電場(chǎng)分別對(duì)應(yīng)電流和電壓。觀察的頻率為490MHz（33MHz時(shí)鐘脈沖頻率的第15次諧波），測(cè)量間隔為5mm。

在各圖中，(a)的信號(hào)線右端有一個(gè)50Ω電阻器，以便近似得到阻抗匹配的狀態(tài)，而(b)中有數(shù)字IC輸入終端。

(3) 電流駐波

圖3-3-11給出了磁場(chǎng)的測(cè)量結(jié)果。

盡管(a)（有阻抗匹配的終端）顯示傳輸線上具有恒定的磁場(chǎng)，(b)卻指出了不同位置處的強(qiáng)磁場(chǎng)（紅色）和弱磁場(chǎng)（藍(lán)色）。這就意味著紅色部分具有較大的電流。這被稱為駐波，其中較高反射系數(shù)ρ會(huì)導(dǎo)致超大值和超小值之差更大。

(4) 電壓駐波

圖3-3-12給出了電場(chǎng)的測(cè)量結(jié)果。與電流的情形一樣，(b)中使用數(shù)字IC作為負(fù)載，指示了不同位置處的變化。對(duì)比圖3-3-11和圖3-3-12會(huì)發(fā)現(xiàn)，就產(chǎn)生較強(qiáng)噪聲的位置而言，電壓和電流的情況正好相反（如圖3-3-9所示）。

如果產(chǎn)生了駐波，噪聲電平可能會(huì)隨不同位置而變化。因此，不能只通過某個(gè)位置測(cè)得的單個(gè)結(jié)果確定噪聲強(qiáng)度。

(5) VSWR

圖3-3-12所示電壓駐波的波腹（超高點(diǎn)）和波節(jié)（較低點(diǎn)）之比率稱為VSWR（電壓駐波比率），它是表示反射程度的指數(shù)。

對(duì)于電壓和電流而言，VSWR趨于一致。如果沒有駐波，VSWR為1。反射越強(qiáng)，VSWR的值越大。根據(jù)圖中的測(cè)量結(jié)果，(b)中觀察到了駐波，指示VSWR約為4。

(6) 駐波周期為二分之一波長

駐波的一個(gè)周期（波節(jié)到波節(jié)）的長度為頻率的二分之一波長。因?yàn)楹竺鎸⒁v述的阻抗變化和傳輸線諧振是以此駐波為基礎(chǔ)的，它們可能在使傳輸線長度為二分之一波長整數(shù)倍的每個(gè)頻率處反復(fù)出現(xiàn)。

圖3-3-11和圖3-3-12(b)的示例表明駐波的一個(gè)周期約為200mm，這說明傳輸線上的一個(gè)波長為400mm。在真空條件下測(cè)量的490MHz處的波長約為600mm，這表明在該傳輸線上波長縮短至三分之二。這個(gè)縮短比率會(huì)隨著基板的相對(duì)介電常數(shù)而變化，介電常數(shù)越大，波長就會(huì)越短（這意味著電波在基板上減緩）。

3-3.噪聲傳導(dǎo)和反射 - 重點(diǎn)內(nèi)容

√ 根據(jù)傳輸理論，電以波的形式進(jìn)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(huì)導(dǎo)致反射。

√ 反射導(dǎo)致線路上產(chǎn)生駐波，進(jìn)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(huì)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(qiáng)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(xiàn)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(cè) (點(diǎn)擊下載PDF: 3.5MB) ，Murata Manufacturing Co., Ltd. Catalog C39C, 2010

   
   

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