数字电路噪声分析--电路噪声讲解 第二章

电路噪声讲解--第二章(数字电路噪声分析)
一、数字电路噪声产生
数字电路相对而言更容易产生噪声,也需要根据噪声规定采取针对“不需要的辐射噪声”
的抑制措施。
电容噪声下图展示了使用数字电路的电子设备可能发出的噪声的类型。通常,噪声在很宽频率范围内产生,如果与电视和/或收音机等电子设备的频率重叠,就会造成接收干扰。
二、信号频率和噪声之间的关系
数字电路通过切换高低信号电平操作电路,从而传输信息。切换信号电平的瞬间,高频电流流过信号线。电流不仅在信号线中流动,也在电源和接地中流动。数字电路中使用的这些高频电流被视为噪声的起因。
4MHz时钟脉冲的数字信号示例图:
下图以时钟脉冲发生器作为数字电路的示例,并通过放置在三米外测量区域(电波暗室)内的天线测量发生器产生的噪声。
在时钟脉冲发生器的信号频率从4MHz变为20MHz再变为66MHz期间,观察噪声发生变化的频率间隔和水平。这样就能在时钟信号的离散频率处观察噪声,这些成分被称为信号的谐波。
三、数字电路产生噪声的原因
本文将两个IC间的信号线组成的简化电路为例,解释数字电路如何产生的噪声。
此电路中电流简化图:
一根信号线将信号从左侧驱动器传输到右侧驱动器。连接与电源侧或接地侧驱动器内信号线相连的开关(包括一个晶体管),可能使信号电压发生变化。当驱动器侧的开关打开时,输入终端的电容(多个pF的极少量静电容量)在接收器侧充电或放电。当驱动器输出的信号电压根据电容的充电和放电变化时,信息从驱动器传输到接收器。
下图展示了切换瞬间电流和电压的示意图。
请注意,本模型经过了大量简化,仅能展示电路的运行,而不足以解释噪声。在这种情况下,两个IC间的电流流经图中电容充电侧的橙路径,在放电侧则流经图中的蓝路径。这一电流使数字电路产生噪声。
由于此时电流是电容(电容器)充电和放电所产生的,在信号切换的瞬间,电流像长钉一样流动,如
下图:
双面钟这种波形包含各种频率,通过用作天线的线路发射出来,从而造成噪声干扰。根据电路的寄生电感,电流的突然变化会造成感应电压。电压也成为噪声的起因。
束线带因为噪声源是驱动器内的切换开关,所有可以说在图中模型中噪声源在驱动器内。
四、短路电流
当驱动器内的开关切换时,C-MOS数字IC只在一瞬间使电源和接地相互连接,会产生类似长钉的电流。这种电流被称为短路电流。它不会流进信号线,但会作为急剧变化的电流流进电源和接地。因此,这种电流可能成为电源和接地中噪声的起因之一。
与信号电流不同,在信号上升和下降时短路电流的方向相同。因此,从频率的角度而言,其频率是双重信号循环频率。
频率中的谐波成分会在循环频率的整数倍处产生。
短路电流产生的噪声可能在与信号的偶次谐波相重叠的频率处(双信号频率的累积相乘)出现。因此,如果偶次谐波造成一个问题,除了信号之外,电源也可能是问题的起因。
五、去耦电容
去耦电容用于连接电源和接地的旁路电容器。尽管此电容器用于稳定IC电源电压或即
时供应电源电流,如下图它也在传输信号的电流路径中发挥着作用。
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如果没有去耦电容器,流经电源和接地的电流将通过远离IC的电源流动,而产生的电感很大,无法正常流动(因此,信号脉冲波形会变形,或者IC操作速度减慢)。此外,由于产生噪声的电流流过电路的区域很广,产生的噪声会更多。
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去耦电容器是数字IC非常重要的组成部分,不仅是为了稳定电压(称为“PI” - 电源完整性),也是为了正确传输信号(称为“SI” - 信号完整性)和抑制电磁噪声(EMI)。从EMI 抑制的角度看,去耦电容器的运行体现在限制包含流入IC附近电源和接地的噪声的高频电流。
经过去耦电容器的电流环路越小,产生的噪声量就越小。因此,去耦电容器应尽量靠近IC放置。
六、共模噪声的感应
信号电流形成电流环路,此环路作为天线发射无线电波。此为普通模式电流发射噪声。
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本文发布于:2024-09-22 04:23:51,感谢您对本站的认可!

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