连载 | 村田静噪小课堂 : 噪声问题复杂化的因素[七]

[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

3-3-5. 阻抗因传输线路而变化

‍‍‍‍‍‍‍‍‍

(1) 什么让阻抗出现变化？

从传输线的角度而言，信号线的另一个重要特性在于通过信号线的负载阻抗与阻抗本身完全不同。

例如，在连接至图3-3-1所示20cm长信号线的数字IC的输出终端，阻抗是多少？

图3-3-13 从数字电路输出终端观察到的阻抗

为找出答案，连接一个电阻器（10Ω: 紫色，1000Ω: 蓝色）、一个电容器（5pF: 绿色）和一个电感器（50nH: 红色）作为负载（如图3-3-13所示），并测量阻抗。如果数字IC如图3-3-1所示连接到终端端口，阻抗可能接近于电容器（5pF）的阻抗。

图3-3-14指出了计算模型。(a)表示不考虑信号线的情形，而(b)显示通过传输线路测量的情形。此外，(c)给出了按照第3章的章节3-2所述以线路模拟单级LC电路的情形，仅供您参考。

图3-3-14 计算模型

‍‍‍计算结果如图3-3-15所示。情形(a)（未考虑信号线）指出不考虑电阻器情况下的恒定值。电感器和电容器分别显示出与频率成正比/反比的阻抗。

图3-3-15 阻抗对比

(2) 阻抗因传输线路而振荡

相反，情形(b)（考虑传输线路）在10MHz频率以上比(a)中的差异大，在100MHz频率以上表现出复杂的波动情况。仔细观察就会发现，阻抗似乎以信号线的特性阻抗（该示例中为123Ω）为中心，在其附近振荡。

如上所述，纵观整条传输线路，阻抗在高频范围内似乎存在显著差异。尽管图3-3-15仅显示了阻抗的振幅，但其相位也发生了变化。因此，根据不同频率，电感器可能类似于电容器，而电容器可能类似于电感器。（在某些情况下，利用这样的特性，传输线路可以用作阻抗变换器或者用于阻抗匹配。）

(3) 入射波和反射波之间的相位差导致阻抗变化

在图3-3-15(b)的计算结果中，连接5pF电容器的情形（绿线）表现出的特征相对接近使用数字电路作为负载的情形。

计算结果表明100MHz到200MHz之间存在局部超大阻抗。在200MHz以上频率范围内，阻抗交替出现局部超高点和局部较低点，呈现出周期变化。阻抗的局部较低点和下一个局部较低点之间的频率间隔等于使导线长度为二分之一波长的频率。

如上所述，传输线的态势与导线长度和波长之间的关系有着密切的关联。

(4) 注意导致局部超小阻抗的频率处的噪声

因为导致局部超小阻抗的频率容许很大的电流，所以需要特别注意EMC措施。脉冲波形可能导致振铃或者可能发射很强的噪声。

3-3-6. 多重反射导致的谐振

(1) 传输线路变成谐振器

如果像在数字信号中所描述那样，导线两端都发生反射，则会存在一个特定频率，使波形完全符合下一个周期的信号（如图3-3-16所示），同时反射波在导线来回一圈。

图3-3-16 多重反射导致的谐振

在此频率处，传输线路可能作为一种谐振器，并导致非常大的电压或电流。此时需要注意，因为它可能使数字信号遭受振铃或者在特定频率处导致很强的噪声。

(2) 通过驻波观察谐振

图3-3-17采用了图3-3-14(b)中假定的20cm长信号线的情形，并叠加了以下几种情况下各频率处驻波的计算结果: (a)两端均终端匹配（无反射波），(b)只有终端发生反射，(c)两端均发生反射（多重反射）。在情形(a)下信号输出已经调整至1V(120dBµV)。

图3-3-17 谐振导致的驻波变化

当没有发生任何反射时，所有频率范围内和所有位置上的电压都恒定（120dBµV）。信号在终端匹配的情况下正确进行传输。

(3) 只有一端发生反射时，会产生驻波

情形(b)将负载阻抗设定为1MΩ（几乎是开放和完全反射）。在这种情况下，可以观察到驻波，且电压随频率和位置而变化。这种状态可以认为是接近图3-3-11和图3-3-12中测量的状态。如果只有一端发生反射，无论反射有多强烈，超大值都不会超过原信号的两倍（增加6dB）。

(4) 两端均发生反射时，谐振频率处出现大振荡

情形(c)在(b)中终端条件的基础上，使信号源的输出阻抗降低至10Ω，从而造成反射。在这种情况下，在某些频率处（大约为200MHz和650MHz）观察到了非常强烈的驻波。这些频率会造成多重反射，而且在某些情况下，电压或电流可能达到原信号的数倍，从而成为EMC措施方面的问题。

(5) 谐振传输线路也作为天线

当信号线如上所述作为谐振器时，需要特别注意，因为信号线本身可能成为一种微带天线并发射很强的噪声。谐振频率可能在使导线长度为二分之一波长的频率间隔处反复出现（在图3-3-17的示例中约为400MHz）。小心不要让数字信号的谐波接近这些频率。

为避免多重反射造成的谐振，需要在两端或一端进行阻抗匹配（如图3-3-17(a)或(b)所示），以吸收反射。如何终止数字信号线将在下一章节中讲述。

除了这样的信号电路之外，如果要处理噪声的传导路径（如电源线），通常也可以衰减信号。在这种情况下，除了终止之外，还可以通过加剧传输线的衰减来避免谐振。如果要加剧衰减，通常是增加一个电阻元件。

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