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1、华中科技大学电气与电子工程学院,第六章 电路和系统的噪声抑制技术,熊 蕊,引言电路、系统的干扰和抑制,目前在工业设备和控制系统中大量应用着模拟电路。减少模拟电路的误动作提高电路抗干扰能力，是电子设备电磁兼容性技术的重要方面。电子装置和设备通常采用模拟和数字电路混合系统 数字电路往往成为微弱模拟信号电路的噪声源；数字电路的工作特点是动作能量小，翻转速度快、信号电平低，所以外部电磁环境变化产生的噪声容易影响到数字电路的正常工作；数字电路设备本身工作时也产生电磁噪声，几乎都与脉冲信号或时钟脉冲的重复频率、跃变上升时间和下降时间有密切关系。,本章内容,电路与系统中的EMC,华中科技大学电气与电子工程学
2、院,(2)模数转换器的噪声抑制,(1)模拟电路抑制噪声的一般性措施,(3)模拟量多路转换器的噪声抑制,1 模拟电路中的EMC问题,(1)模拟电路抑制噪声的一般性措施,电路内部：器件布置不可过密；改善装置的散热条件 分散设置稳压电源 在配线和安装位置上尽量减少不必要的电磁耦合 尽量减少公共阻抗值 实行一点接地,(1)模拟电路抑制噪声的一般性措施,电路外部（针对来自电路外部的噪声源）：中高压电路附近的静电感应噪声采取：对电子装置和引线加接地的金属屏蔽、远距离传送信号的输入输出线用良好的接地屏蔽，保证柜体电位与传输电缆电位一致、尽可能缩短信号线长度、减少电路阻抗、对整个系统实行全屏蔽等措施 强磁场对
3、附近集成电路的影响采取：信号线远离产生电磁感应的电力线、使二者相互垂直、施加电磁屏蔽等措施 高频装置、火花放电等产生的电磁波噪声、汽车点火拴噪声、大功率调频调幅电磁波、雷达波以及晶体管内部产生的高频噪声采取：隔断噪声传递路径为主的屏蔽、更换产生较大干扰的元器件等措施 电网浪涌电压噪声线路上设置各种滤波器、浪涌抑制器等,(1)模拟电路抑制噪声的一般性措施抑制地线干扰,当门1的输出从高变为低时，会发生以下过程：寄生电容通过门1放电，很大的地电流流过地线阻抗，在门2的地线上形成地线电压，由于门2输出低电平，这个电压直接反应到门2的输出端，成为门4 的输入信号。当幅度超过门4的噪声门限时，导致门4 误
4、动作。地线上的这些干扰不仅会引起电路的误操作，还会造成传导和辐射发射。为了减小这些干扰，应尽量减小地线的阻抗。注意：对于数字电路，地线阻抗决不是地线电阻。例如，宽0.5mm的印制线，每英寸电阻为12m，电感是15nH，对于160MHz的信号，其阻抗为9.24，远大于直流电阻。因此对于数字电路，减小地线电感是十分重要的。,(1)模拟电路抑制噪声的一般性措施抑制地线干扰,总原则：数字电路与模拟电路要分开接地，采用放射形、平面形等接地方式，避免使用单根接地线 对微弱模拟量电路实行全面覆盖的电磁屏蔽 采用直流隔离措施,(2)模数转换器的噪声抑制,模数转换器有积分式、逐次比较式，使用最多的为平方积分式，
5、应注意：减小电源电压脉动（影响基准电压）避免噪声侵入输入电路（尤其是高输入阻抗的模数转换器，应在输入端设置箝位二极管，并采用放大器缓冲，抑制共模和差模噪声后再做模数转换）数字和模拟电路的地（公共线）分开,(2)模数转换器的噪声抑制,积分电容的选择和屏蔽接地金属聚丙稀电容，铜箔接地。电源频率对模数转换器的影响日本购置美国测量仪的调试情况：输入为零时输出信号零点摆动达3mV，为满量程的20，而在美国是正常的电源频率差异：美国按照60Hz时具有最佳噪声抑制来设计时钟频率，其中14位模数转换器的时钟频率位983kHz，由1.966MHz的晶振产生；日本电源频率为50Hz，折算后晶振改为1.6384MH
6、z，时钟频率降为819.2kHz，零点漂移降到0.1mV以下，能正常工作。旁路电容的重要作用集成电路电源并旁路电容，降低电源的高频阻抗，有效抑制芯片的内部噪声和电源噪声。输入电路的噪声各级运算放大器前接低通滤波器,(3)模拟量多路转换器的噪声抑制,多个模拟量做模数转换时采用多路转换器实现对模拟量的切换（只需一个模数转换器）半导体型（隔离式；集成电路式）集成电路式：易受共模噪声影响 抑制干扰基本原则不产生、不传递、不响应 采取措施加入共模扼流圈、变压器双重屏蔽接地、光电隔离、抑制高频噪声（根据采样频率要求，采用电容将前置放大器的频带变窄降低对高频噪声的响应能力；降低变压器带宽及增加采样脉冲宽度）
7、,华中科技大学电气与电子工程学院,(2)数字电路常见噪声和一般抑制措施,(1)数字电路的噪声容限,(3)数字电路噪声抑制案例,2 数字电路中的EMC问题,(1)数字电路的噪声容限,直流电压噪声容限交流噪声容限能量噪声容限,(2)数字电路常见噪声和一般抑制措施,电源噪声地线噪声串扰反射公共阻抗噪声静电放电噪声数字电路本身工作时产生的噪声,不能悬空输入端尽量缩短电源线、接地线旁路电路靠近集成电路电源引脚RS触发器等集成电路的输入端和地线间接入陶瓷电容以增强该器件的抗干扰能力大量数据信息同时传输和变化时注意抑制感应噪声，减少与其它控制电路间的串扰,(3)数字电路噪声抑制案例脉冲噪声的抑制,(3)数字
8、电路噪声抑制案例脉冲噪声的抑制,(3)数字电路噪声抑制案例逻辑电路多余输入端的处理,数字逻辑电路中多余输入端的处理，一般都要求不悬空。如果简单的将多余的输入端悬空，则成为一根天线，能直接接收辐射噪声，或通过漏电阻和分布电容接收外来噪声信号。而逻辑电路在其规定的频率范围内，一旦输入电平超过阈值电压，不论是正常信号还是噪声信号，都会使电路动作，尤其是对于内部含有存储元件的电路。,(3)数字电路噪声抑制案例逻辑电路多余输入端的处理,对门电路一些建议的处理方法（以与非门为例）：(1)多余输入端接到单独的电源上。(2)在多余输入端串联一个1K10K之间的电阻，再接到电源Ucc上。(3)把多余输入端并联在
9、正在使用的输入端上。这样可以加快响应速度，但是信号源功耗增大，所以引起的电源噪声也会增大。(4)把多余输入端与不用的反相器输出端相连；不用的反相器因为也是多余的，其输入端要接地。,对于触发器类亦可采用类似的方法，分析其正常工作时的输出状态后，再将多余输入端接到电源或者地。触发器的输出端也需要注意抗干扰，在触发器两个输出端（Q和-Q）中仅只用一个输出端（Q）时，为了提高触发器的抗干扰能力，可将-Q输出端对地接一个1000p的瓷片电容，而不是完全悬空，这样Q输出端不易受噪声影响，避免误动作。,电源系统,数字电路常用电源 单边开关电源（脉冲调宽或脉冲调频式）桥式开关电源（DCAC变换整流滤波，半桥式
10、、推挽式、全桥式，PWM方式稳压）,抑制电源噪声一般措施不得将开关电源工频电源线与经开关电源整流后的直流输出线捆扎一起；输出采用双绞线，充分利用其LC滤波作用不要沿开关电源线敷设信号输入输出线机壳接地与信号接地分开,电源系统 抑制电源噪声一般措施,周密考虑冲击电流措施（开关电源输出的大容量滤波电容所致）考虑高频滤波电容的安装位置:,启动开关电源时抑制输出的大容量滤波电容引起浪涌电流的一个实例。这个电路在电源端负极串联了一个MOS管Q1。Q1通常情况下是断开的，R2拉低了其门级电平。外加输入电压时，通过R1为门极充电，Q1的充电时间和接通时间由于C1的存在而减慢。选择R1和C1的值，可使输入电容
11、缓慢充电，以限制浪涌电流。输入电容充电完毕，Q1门极再充电，直至被稳压管限压，之后Q1则保持完全开通。,华中科技大学电气与电子工程学院,(2)噪声的抑制,(1)PCB板上的噪声及由来,(3)串扰及其抑制,3 PCB板的EMC及设计问题,(1)PCB板上的噪声以及由来PCB板,地线和电源线上的噪声,当数字电路出现电磁干扰的问题,许多有经验的工程师会检查地线和电源线上的噪声,通常的结果是在电源线和地线上,用示波器可以观察到明显的噪声电压。虽然许多人可以断定这些噪声是造成电路电磁干扰问题的原因,但是不知道如何解决。因为,他们不知道这些噪声是如何产生的。,地线和电源线上的噪声,电源线上的噪声：图中是一
12、个典型的门电路输出级（图腾柱输出），当输出为高时，Q3导通，Q4截止，相反，当输出为低时，Q3截止，Q4导通，这两种状态都在电源与地之间形成了高阻抗，限制了电源的电流。但是，当状态发生变化时，会有一段时间Q3和Q4同时导通，这时在电源和地之间形成了短暂的低阻抗，产生30100毫安的尖峰电流。当门输出从低变为高时，电源不仅要提供这个短路电流，还要提供给寄生电容充电的电流，使这个电流的峰值更大。由于电源线总是有不同程度的电感，因此当发生电流突变时，会产生感应电压。这就是在电源线上观察到的噪声。由于电源线阻抗的存在，也会造成电压的暂时跌落。,地线和电源线上的噪声,地线上的噪声：在当电源线上产生上述尖
13、峰电流的同时，地线上必然也流过这个电流，特别是当输出从高变为低时，寄生电容要放电，地线上的峰值电流更大（这与电源线上的情况正好相反，电源线上的峰值电流在输出从低变为高时更大）。由于地线总是有不同程度的电感，因此会感应出电压。这就是地线噪声。地线和电源线上的噪声电压不仅会造成电路工作不正常，而且会产生较强的电磁辐射。,电源线、地线噪声电压波形,电源线上的电流 ICC：在输出状态不同时，幅值是不同的。输出稳定时，电流也是稳定的。当输出从低变为高时，由于瞬间短路，电流增加，同时需要给电路中的寄生电容充电，电流更大。当输出从高变为低时，由于瞬间短路，电流增加，但不需要给电路中的寄生电容充电，因此电流较
14、输出从低变为高时为小。电源线上的电压VCC：当电流 ICC发生突变时，由于电源线的电感L，会有感应电压Ldi/dt产生。地线上的电流 Ig：地线上的电流是电源线上的电流与电路中寄生电容放电电流之和。在输出稳定时，电流也是稳定的。当输出从低变为高时，由于瞬间短路，电流增加。当输出从高变为低时，由于瞬间短路，电流增加，同时由于电路中的寄生电容放电，因此电流峰值较输出从低变为高时更大。地线上的电压Vg：当电流 Ig发生突变时，由于地线的电感L，会有感应电压Ldi/dt产生。,线路板走线的电感,L=0.002S(2.3lg(2S/W)+0.5 H,W,S,M,I,I,式中：S=导体长度（cm）W=导体
15、宽度（cm）t=导体厚度（cm）,L=0.002S 2.3 lg(2S/（W+t)+0.5 H,矩形导体的电感：,线路板走线的电感：对于线路板走线，t W，则电感计算公式简化为：,线路板走线的电感,控制走线的电感：从电感的计算公式中可以看出，电感与其长度和长度的对数成正比，缩短导线的长度能够有效地减小电感。但是电感随着的导体的宽度的对数减小而减小。因此，增加走线的宽度对减小电感的作用很有限。当宽度增加一倍时，电感仅减小20。,式中：S=导体长度（cm）W=导体宽度（cm）,线路板走线的电感,并联导线的电感：当两个导体并联起来时，并联的总电感如下：M是两个导体之间的互感。当两个导体靠得很近时，互
16、感等于单个导体的自感，总电感几乎没有减小。当两个导体距离较远时，互感可以忽略，总电感降低为原来的1/2。因此，多根导体并联是一个降低电感更有效的方法。,地线网格,为了保证数字电路的可靠工作，减小线路板上所有电路的地线的阻抗是一个基本的要求。对于多层板，往往专门设置一层地线面。但是，多层板的成本较高，在民用产品上较少使用。实际上，在双层板上做地线网格能获得几乎相同的效果。地线网格：在双层板的两面布置尽量多的平行地线，一面水平线，另一面垂直线，然后在它们交叉的地方用过孔连接起来。虽然从上面的分析中知道：平行导体的距离远些，减小电感的作用更大，但是考虑到每个芯片的近旁应该有地线，往往每隔11.5cm
17、布一根地线。,地线网格,地线网格的制作方法：制作地线网格的一个关键是在布信号线之前布地线网格，否则是十分困难的。尽管地线要尽量宽，但是除了作为直流电源主回路的地线由于要通过较大的电流，需要有一定的宽度外，地线网格中的其它导线并不需要很宽，即使有一根很窄的导线，也比没有强。地线网格的效果：两块线路板的布局和安装的器件完全相同，只是一个有地线网格，一个没有地线网格，测量线路板上芯片之间的地线噪声电压值（mV）如下：测 量 点 IC1 IC2 IC1-IC3 IC1 IC4 IC1-IC11 IC7 IC15 IC15-IC16 单点接地 150 425 425 625 850 1000地线网格 1
18、00 150 120 200 125 100,电源线噪声的消除,如前所述：逻辑门的输出状态发生变化时，电源线上会有电流突变，由于电源线的电感效应，会在电源线上产生噪声电压，对其它共用电源的电路产生干扰，并且会产生辐射。因此必须设法解决这个问题。按照解决地线噪声电压的思路：在线路板上设置电源线网格来减小电源线的电感。这固然是可以的。但这要占有宝贵的布线空间。对于电源线电感的问题，一般用下面的方法：储能电容：储能电容的作用是为芯片提供了电路输出状态发生变化时所需的大电流，这样就避免了电源线上的电流发生突变，减小了感应出的噪声电压。即使在线路板上使用了电源线网格或电源线面（电源系统具有很小的电感），
19、储能电容也是必要的。这是由于储能电容将电流变化局限在较小的范围内，减小了辐射（后面将看到辐射量与电流环路的面积成正比）。,电源解耦电容的正确布置,储能电容安装的位置：储能电容的作用是为芯片提供瞬态高能量，因此在布线时，要尽量使它靠近芯片。这种提法有时不够确切，更确切的要求是：使储能电容的供电回路面积尽量小。或者说：储能电容与芯片电源端和地线端之间的联线尽量短。芯片的影响：储能电容与芯片之间的联线长度是线路板走线的长度加上芯片自身引脚的长度。因此，要减小这个两部分的总长度。要选用电源引脚与地引脚靠得近的芯片、不使用芯片安装座、使用表面安装形式的芯片等。二级储能电容：每片芯片的储能电容在放电完毕后
20、，需要及时补充电荷，作好下次放电的准备。为了减小对电源系统的骚扰，通常也通过电容来提供电荷。为了描述上的方便，称起这个作用的电容为二级储能电容。当线路板上的芯片较少时，一只二级储能电容就可以了，一般安装在电源线的入口处，容量为芯片储能电容总容量的10倍以上。如果线路板上芯片较多，每10 15片设置一个二级储能电容。这个电容同样要求串联电感尽量小，应该使用钽电容，而不要使用铝电解电容，后者具有较大的内部电感。,线路板的两种辐射机理,线路板电磁兼容设计的目的，除了保证电路工作可靠以外，一个主要的目的就是减小线路板的电磁辐射，保证设备在较低的屏蔽效能下满足有关标准的要求。由于一个电路的电磁辐射和接收
21、的能力往往是一致的，即一个电路的电磁辐射效率高，往往接收效率也高。因此，在设计中抑制线路板的电磁辐射，同时也就提高了线路板的抗干扰能力。辐射源：线路板的辐射主要产生于两个源，一个是PCB走线，另一个是I/O电缆。根据辐射驱动电流的模式，辐射分为差模辐射和共模辐射两种。差模辐射：电路工作电流在信号环路中流动，这个信号环路会产生电磁辐射。由于这种电流是差模的，因此信号环路产生的辐射称为差模辐射。共模辐射：当传输信号的导体的电位与邻近导体的电位不同时，在两者之间就会产生电流。即使两者之间没有任何导体连接，高频电流也会通过寄生电容流动。这种电流称为共模电流，它所产生的辐射称为共模辐射。在电子设备中，电
22、缆的辐射主要以共模辐射为主。,说明：由于共模电压都是设计意图之外的（除了电场波发射设备以外，没有任何设备是靠共模电压工作的），因此共模辐射比差模辐射更难预测和抑制。,电流环路产生的辐射,近场区内:H=IA/(4D3)A/m E=Z0IA/(2D2)V/m ZW=Z0（2D/）远场区内:H=IA/(2D)A/m E=Z0 IA/(2D)V/m ZW=Z0=377,A,I,随频率、距离增加而增加,Z0,f、D,对差模辐射，用电流环路模型用来进行分析。公式中各量的定义：I=环路电流(A)，A=环路面积(m2)，D=观测点到环路的距离(m)，Z0=自由空间的阻抗（377），=电流频率所对应的波长(m)
23、,电流环路产生的辐射,从公式得出以下结论：1 近场区内：磁场的辐射强度与频率无关，这个公式对直流也是适用的。磁场的强度随距离的三次方衰减。因此利用增加距离来减小磁场强度是十分有效的方法。2 近场区内：电场的辐射强度随频率呈线性增长，随距离的平方衰减。结合磁场的情况，可以理解磁场辐射源产生的电场波的波阻抗的变化，由于磁场随距离衰减快，电场衰减慢，因此随着距离的增加，波阻抗减小。3 近场区内：场强随距离衰减很快。4 远场区内：电场和磁场随距离衰减的速率是一样的，都是与距离呈反比例衰减。5 远场区电场与磁场的比值（波阻抗）：是定值，为377。6 远场区内：电场和磁场强度随频率的平方增加，因此，电子设
24、备会辐射出频率比想象高得多的电磁波。因为，较小的高频电流就能产生很强的辐射。由于大多数电磁兼容标准中仅对电场辐射强度提出了限制，并且，由于大多数标准的测量条件都属于远场区，因此远场区电场强度的公式用得最多。,导线的辐射,对于电缆的共模辐射，以下这组公式可估算其辐射强度。公式中各量的定义为：I=导线中的电流（A），L=导线长度（m），D=观测点到环路的距离（m），Z0=自由空间的阻抗（377），=电流频率所对应的波长（m）注意公式中的电流为共模电流。与差模电流不同的是，共模电流的实际值很难预先估算出来。,导线的辐射,从公式中可以看出：1 近场区内：磁场的辐射强度与频率无关，这个公式对直流也是适用
25、的。磁场的强度随距离的平方衰减。2近场区内：电场的辐射强度随频率增加而减小，随距离的三次方衰减。这与电流环路的情况正好相反。这里，由于磁场随距离衰减慢，电场衰减快，因此随着距离的增加，波阻抗增加。3 近场区内：场强随距离衰减很快，这一点与电流环路是相同的。4 远场区：电场和磁场随距离衰减的速率是一样的，都是与距离呈反比例衰减。5远场区电场与磁场的比值（波阻抗）：是定值，为377。6 远场区内：电场和磁场随频率的增加线性增加，这一点与电流环路不同。与电流环路同样的理由，在设备电磁兼容性满足与否的预测中，常用下面的公式：E=2Z0 I L/(2 D)V/m,常用的差模辐射预测公式,电磁兼容标准中，
26、对辐射发射的限制一般体现在电场，因此，用上面的公式可以预测电路的差模辐射是否会导致辐射发射超标。也可以用这个公式计算为了满足电磁兼容标准规定的辐射发射，所允许的最大环路面积，或最大电流。对于脉冲电路，f 是脉冲电流的各次谐波。,脉冲信号差模辐射的频谱,将脉冲信号的频谱包络和差模辐射的频率特性结合起来，就可以得到脉冲信号差模辐射的频谱包络线。脉冲信号的频谱包络线：分为三段，平坦段，20dB/dec下降段，40dB/dec下降段。差模辐射的频率特性：随着频率的升高增加，增加速率为40dB/dec。,脉冲信号差模辐射的频谱,脉冲信号的差模辐射频谱包络线：与脉冲信号的频谱包络相对应，分为三段，40dB
27、/dec增加段，20dB/dec增加段，平坦段。这个包络线中没有包含绝对数值的信息。下面给出绘制含有绝对数值信息的辐射包络线的方法。实际差模辐射包络的绘制：如果脉冲的峰-峰电流值、脉冲上升时间，和差模电流的环路面积已知，则可以绘出差模辐射的频谱包络线。由于相对包络线是已知的，因此，只要计算出基频的辐射就可以了。差模辐射包络线的绘制步骤如下：1 求基频电流的幅度：如果脉冲电流的幅度为I，则用傅立叶级数展开法求的基频的幅度为：I1=0.64I。2 求基频电流差模辐射的幅度：将I1带入差模辐射计算公式，计算得到基频的辐射强度。3 绘制差模辐射包络线：在半对数坐标纸（横轴对数，纵轴线性）上定出基频辐射
28、的幅度。如果基频 1/d，从基频到 1/tr按20dB/dec 速率绘上升线，1/tr以上绘水平线。说明：从脉冲信号的辐射频谱包络中看出，尽管脉冲信号的高次谐波分量幅度较小，但是辐射出来的强度并不小。这就是为什么电子设备产生的辐射的频率比工作时钟频率高得多的原因。,不同逻辑电路为了满足EMI指标要求所允许的环路面积,仅代表了一个环路的辐射情况，若有N个环路辐射，乘以 N。因此，可能时，分散时钟频率。,不同逻辑电路为了满足EMI指标要求所允许的环路面积,当给定信号环路的面积时，可以用上面介绍的差模辐射强度包络线绘制方法可以绘出典型逻辑电路的辐射强度包络线，然后与标准中对辐射发射的限制值进行比较，
29、可以知道电路辐射是否超标。如果在计算过程中，将信号环路面积作为变量，可以求出来当面积满足什么条件时，某个差模信号环路的辐射不会引起超标。本表中给出了，当测试距离为10米，电磁辐射极限值在 30-230 MHz之间为30dB V/m,在 230-1000 MHz 之间为 37dB V/m 的情况下，不同逻辑电路的面积限制。从表中可以看出，电路的速度越高、脉冲重复频率越高，则允许的面积越小。说明1：表中仅对单个环路的辐射进行了计算，如果n个环路的信号频率相同，则它们辐射的频率也相同，强度叠加，则总辐射正比于 n。因此，在设计电路时，尽量避免使用同一个时钟来获得不同的同步信号。如果，各个环路中电流的
30、频率不同，则没有叠加的关系。说明2：绝不意味着只要电路满足了这个条件（多个环路时，考虑叠加），PCB就能满足EMI指标要求。因为线路板的辐射不仅有差模辐射，还有共模辐射。而共模辐射往往比差模辐射更强。说明3：如果线路板上某个环路不满足这些条件，则PCB肯定会产生超标电磁辐射。,电路中的强辐射信号,要布好线路板，减小线路板的电磁辐射，首先要搞清楚什么电路的辐射最强。在设计时重点考虑这些电路。周期信号与随机信号的频谱：根据频谱分析的理论，周期信号的频谱为离散谱线，随机信号的频谱为连续谱。这意味着，周期信号的能量集中在有限的几个频率上，而随机信号的能量分布在无限多个频率上。因此，周期信号的能量更集中
31、，更容易产生干扰。产生最强辐射的是周期信号：观察一下电子设备产生的辐射频谱，可以注意到，最强的辐射肯定是单根谱线。将一块线路板的所有电路加电与仅给时钟部分加电，它们产生的最大辐射强度基本是相同的。因此，线路板上的周期信号是产生辐射最强的信号。电路中的震荡器、时钟电路、地址总线的低位数据线、产生周期波形的功率电路（如开关电源中的开关管回路、CRT显示器的行扫描输出等）等都是强辐射电路，在设计时要特别注意。由于周期信号是最强的辐射信号源，因此在分析解决电磁兼容问题时，如果整个设备加电不方便，只要保证时钟或周期信号部分正常工作，就可以开展工作了。因为这时，其电磁辐射状态也基本是实际最大辐射状态。,电
32、流回路的阻抗,在分析差模辐射时，最重要的一点是知道差模电流的实际路径，从而确定差模电流的环路面积。要明确的一点是：实际的电流并不是按照你所设计的路径流动，而是选择阻抗最小的路径流动。所以，估算电流路径的实际阻抗是十分重要的一步。只要确定出最小阻抗的路径，也就确定了差模电流的路径。电流回路的阻抗：电流回路的阻抗由两部分组成，导线的电阻和环路的电感形成的感抗。频率较低时，感抗很小，回路的阻抗主要由电阻决定。当频率较高时，电感的感抗所占比重越来越大，回路的阻抗主要由电感决定。回路的电感越大，阻抗越高。,电流回路的阻抗,影响回路电感的因素：根据定义，回路的电感=/I，是回路中的磁通量，I 是回路中的电
33、流。显然，回路的面积越大，则回路所包围的磁通量越大，电感量也越大。因此，回路的阻抗与回路的面积成正比。,电流回路的阻抗,实验证明：通过图中所示的实验可以更加明确在高频时回路的面积决定了回路的阻抗。有关实验的说明如下：实验装置：同轴电缆的一端接信号发生器，频率可变；另一端接电阻负载。同轴电缆的两端外皮（金属编织层）用一根短粗的铜线连接起来，铜线的电阻和电感都很小。在铜线上套一个电流卡钳，用示波器监视铜线中电流的大小。实验现象：将信号源的频率从低往高调，观察铜线中电流的变化。可以发现：当频率低于1kHz时，电流几乎全部走铜线，当频率高于10kHz时，电流几乎全部在同轴电缆的外屏蔽层，在1kHz 和
34、10kHz 之间，两个路径都有。结论：高频电流总是走电感最小的路径，也就是回路面积最小的路径。,单层或双层板如何减小环路的面积,出于成本的考虑，在一般民用设备中都使用单层或双层印刷线路板。随着数字脉冲电路广泛应用，单层板和双层板的电磁兼容问题越来越突出。造成这种现象的主要原因之一就是信号回路面积过大。不仅产生了较强的电磁辐射，而且使电路对外界干扰敏感。要改善线路板的电磁兼容性，最简单的方法是减小关键信号的回路面积。关键信号：从电磁兼容的角度考虑，关键信号主要指能产生较强辐射的信号和对外界敏感的信号。如前所述，能够产生较强辐射的信号是周期性信号，如时钟信号或地址的低位信号。对干扰较敏感的信号是指
35、那些电平较低的模拟信号。,单层或双层板如何减小环路的面积,减小回路面积的方法：一种简单的方法是在关键信号线边上布一条地线，这条地线应尽量靠近信号线。这样就形成了较小的回路面积，减小差模辐射和对外界干扰的敏感度。根据前面的分析，当在信号线的旁边加一条地线后，就形成了一个面积最小的回路，信号电流肯定会取道这个回路，而不是其它地线路径。如果是双层线路板，可以在线路板的另一面，紧靠近信号线的下面，沿着信号线布一条地线，地线尽量宽些。这样形成的回路面积等于线路板的厚度乘以信号线的长度。,根据前面的讨论，双层板应毫无例外地使用地线网格，以减小地线的阻抗。当使用了地线网格后，信号线的邻近总会有一条地线，形成
36、较小的回路面积。并且在布线时，应尽量使关键线靠近地线。只有对特别关键的线（产生很强辐射或特别敏感），才需要在紧靠着信号线的地方设置地线。,不良布线举例,例一：问题：这种梳状结构中回流电流的面积很大，尽管信号线很短，但回流线必须绕一个大圈，形成很大的电流环路面积，产生较强的辐射。解决方法：梳状地线很容易改成网格地线，只要在每条竖地线之间增加一条短路线，就构成了地线网格，能够为每个信号电流提供一个较小的信号环路。根据前面讨论的信号环路电感，面积小的环路电感较小，也就是阻抗较小，因此，信号电流必然会取环路面积较小的路径。例二：问题：68HC11的时钟信号送到74HC00，74HC00的输出返回到68
37、HC11，这两个片子虽然靠得很近，信号线仅有5厘米长，但地线却联到了线路板的两个对角，2MHz的信号电流面积实际是整块PCB。解决方法：将A点与B点连接起来，使2MHz的高次谐波辐射降低了15-20dB。说明：在设计电路时，不仅要关注信号线，控制其长度，还要关注信号回流线，使整个回路面积最小。,随便设置的地线没有用,线路板自动布线软件有一个功能是填充地线，也就是将线路板上没有使用的部分全部填充上地线。这确实一个好办法，反正线路板不用也是浪费，全部填充上地线后又没有什么坏处。但是，这样做能带来多少好处却很少有人知道。,随便设置的地线没有用,问题是，人们有个误解，就是在线路上填充地线就是采取电磁兼
38、容措施。实际情况并不是这样，要分析一块地线的作用，首先要知道地线对于改善电磁兼容的作用上什么。地线的作用：地线对于线路板电磁兼容性改善的贡献点有两个，一个是减小了回路面积，因而减小了辐射。另一个是减小了轨线之间的串扰，其机理有两个，一个是为电磁能量提供了一条更好的路径，使能量不能进入受害导体，另一个是减小了受害导体的回路面积，从而减小的干扰接收面积。因此判断设置的一个地线起没起作用，要从这两个方面判断。对于图中的地线，从减小回路面积的角度看，没有起任何作用，因此不能减小电磁辐射。改善不了线路板的电磁辐射发射。至于对于减小轨线间的串扰是否起作用，要分析具体情况。在这个例子中，如果能在时钟线的正下方布一条地线，一定会起到非常好的干扰抑制效果。说明：设置一根地线之前，要想清楚它起什么作用，是减小了回路面积？还是对耦合起到了隔离的作用。,华中科技大学电气与电子工程学院,第六章To be Continued,
