连载 | 村田静噪小课堂 : 噪声问题复杂化的因素[六]

[导读]同学们,《静噪基础课程》本期继续开讲！上一章介绍的是产生电磁噪声的机制本节为你详细介绍噪声的传导和反射第3 章噪声问题复杂化的因素第1章为什么需要EMI静噪滤波器第2章产生电磁噪声的机制第3章噪声问题复杂化的因素3-1.简介3-2.谐振和阻尼3-3.噪声的传导和反...

同学们,

《静噪基础课程》本期继续开讲！

上一章介绍的是

产生电磁噪声的机制

本节为你详细介绍噪声的传导和反射

第 3 章
噪声问题复杂化的因素

第1章为什么需要EMI静噪滤波器

第2章产生电磁噪声的机制

第3章噪声问题复杂化的因素

3-1.简介

3-2.谐振和阻尼

3-3.噪声的传导和反射

3-3-1. 数字信号对脉冲波形的影响
3-3-2. 特性阻抗和反射
3-3-3. 数字电路阻抗匹配
3-3-4. 驻波
3-3-5. 阻抗因传输线路而变化
3-3-6. 多重反射导致的谐振
3-3-7. 数字信号的终止
3-3-8. 对EMC措施的影响
3-3-9. 如何防止噪声传导
3-3-10. S参数

3-4.源阻抗

3-5.小结

3-3噪声传导和反射

3-3-3. 数字电路阻抗匹配

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(1) 数字信号特性阻抗

数字信号所使用信号线的特征阻抗有多大？

如图3-3-6所示，在以电源层和接地层为内层的4层电路板的表面有一根信号线，此信号线可以作为微带线（以下称为MSL）来处理，其中信号线的特性阻抗约为50Ω到150Ω。（如果有电源线，特性阻抗值可能更小。）

图3-3-6 信号线的特性阻抗

(2) 很多数字电路都未实现阻抗匹配

与此相反，数字IC的输入阻抗通常一个几pF的电容，在频率为100MHz及以下时，会变成100Ω以上的高阻抗。

因此，如图3-3-7所示，数字电路的设计基本上会产生非常高的反射，从而导致在接收器处反射大部分信号能。

图3-3-7 数字信号线的阻抗匹配状态

此外，数字IC驱动器侧的输出阻抗也会变化。因此，阻抗匹配并非总是在驱动器侧完成，而且也可能导致反射。所以，数字信号一般会在信号线两端造成反射（如图3-3-2所示），而且会在造成多重反射一定程度时被传输。

(3) 驻波指示匹配状态

尽管为了便于解释在图3-3-4中分别描述了输入波和反射波，但在正常测量中很难单独观察这两种波形（因为示波镜只会显示复合波形）。因此，可以按照后面的讲述，通过观察驻波来确定反射状态。

如果因驱动器侧和接收器侧的反射而产生多重反射，传输线会形成一种谐振器，使某个特定的频率变得特别明显。从正确传输数字信号波形（即“信号完整性”）的角度而言，传输线产生的谐振并不可取，因为它会导致振铃。

此外，从EMC的角度来看，这也是不可取的，因为它会在谐振频率处增加噪声。为抑制传输线产生的谐振，导线的两端或者一端应该靠近匹配状态，以便吸收反射。

3-3-4. 驻波

(1) 电压和电流随测量点变化

在一定频率处测量信号线上的噪声时，如果终端处产生反射，就会观察到如图3-3-8所示的驻波。

图3-3-8 驻波

在这种现象中，您会发现由于“入射波”（原信号）和反射波之间发生干扰，不同位置的信号长度会有所不同。这种驻波是传输线路复杂状况的根本原因，这将在后面进行描述。

如图3-3-9所示，驻波较强处称为“波腹”，而较弱处称为“波节”。

图3-3-9 电压驻波和电流驻波

波腹和波节的位置随频率而有所不同。就其本质而言，电压的波腹位置会成为电流的波节，而电压的波节位置会成为电流的波腹。

(2) 观察数字信号中包含的驻波

图3-3-10到3-3-12提供了观察如图3-3-5所示数字信号波形的驻波的示例。

图3-3-10 驻波的测量范围

图3-3-11 磁场（电流）的测量结果

图3-3-12 电场（电压）的测量结果

在此，28cm长的信号线连接至33MHz时钟脉冲信号，以便观察信号线周围的磁场和电场。磁场和电场分别对应电流和电压。观察的频率为490MHz（33MHz时钟脉冲频率的第15次谐波），测量间隔为5mm。

在各图中，(a)的信号线右端有一个50Ω电阻器，以便近似得到阻抗匹配的状态，而(b)中有数字IC输入终端。

(3) 电流驻波

图3-3-11给出了磁场的测量结果。

尽管(a)（有阻抗匹配的终端）显示传输线上具有恒定的磁场，(b)却指出了不同位置处的强磁场（红色）和弱磁场（蓝色）。这就意味着红色部分具有较大的电流。这被称为驻波，其中较高反射系数ρ会导致超大值和超小值之差更大。

(4) 电压驻波

图3-3-12给出了电场的测量结果。与电流的情形一样，(b)中使用数字IC作为负载，指示了不同位置处的变化。对比图3-3-11和图3-3-12会发现，就产生较强噪声的位置而言，电压和电流的情况正好相反（如图3-3-9所示）。

如果产生了驻波，噪声电平可能会随不同位置而变化。因此，不能只通过某个位置测得的单个结果确定噪声强度。

(5) VSWR

图3-3-12所示电压驻波的波腹（超高点）和波节（较低点）之比率称为VSWR（电压驻波比率），它是表示反射程度的指数。

对于电压和电流而言，VSWR趋于一致。如果没有驻波，VSWR为1。反射越强，VSWR的值越大。根据图中的测量结果，(b)中观察到了驻波，指示VSWR约为4。

(6) 驻波周期为二分之一波长

驻波的一个周期（波节到波节）的长度为频率的二分之一波长。因为后面将要讲述的阻抗变化和传输线谐振是以此驻波为基础的，它们可能在使传输线长度为二分之一波长整数倍的每个频率处反复出现。

图3-3-11和图3-3-12(b)的示例表明驻波的一个周期约为200mm，这说明传输线上的一个波长为400mm。在真空条件下测量的490MHz处的波长约为600mm，这表明在该传输线上波长缩短至三分之二。这个缩短比率会随着基板的相对介电常数而变化，介电常数越大，波长就会越短（这意味着电波在基板上减缓）。

3-3.噪声传导和反射 - 重点内容

√ 根据传输理论，电以波的形式进行传导和反射。

√ 线路特性阻抗和负载阻抗之间的任何偏差都会导致反射。

√ 反射导致线路上产生驻波，进而使阻抗发生变化或者产生谐振。

√ 在使导线长度为二分之一波长的频率间隔处，会反复产生谐振。

√ 可采用两种方法来停止噪声传导: 增强反射和内部衰减。

√ 元件特征可通过S参数表示。

附：第三章参考文献及下载

[1] [Japanese] 電気理論（第2版），池田哲夫，森北出版 2006
[2] High-Speed Digital Design: a Handbook of Black Magic，Howard Johnson, Martin Graham，Prentice Hall PTR, 1993
[3] High-Speed Signal Propagation: Advanced Black Magic，Howard Johnson, Martin Graham，Pearson Education, Inc. 2003
[4] [Japanese] よくわかるプリント板実装の高速・高周波対策，井上博文，日刊工業新聞社 2009
数字IC电源静噪和去耦应用手册 (点击下载PDF: 3.5MB) ，Murata Manufacturing Co., Ltd. Catalog C39C, 2010