技術(shù)資訊 I 面向電路的噪聲耦合抑制技術(shù)

本文要點(diǎn)

電子產(chǎn)品中有許多噪聲源，可能出現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)部和外部。

噪聲耦合抑制技術(shù)在電路設(shè)計(jì)層面和物理布線中實(shí)施，以抑制特定的噪聲源。

可以通過(guò)布線前和布線后仿真來(lái)評(píng)估噪聲耦合抑制技術(shù)的有效性。

任何在示波器上仔細(xì)觀察過(guò)低電平信號(hào)讀數(shù)的人都會(huì)熟悉電子電路中可能出現(xiàn)的噪聲。出現(xiàn)的各種固有的噪聲源在低信號(hào)電平下十分明顯。在其他以典型邏輯電平運(yùn)行的系統(tǒng)中，由于電磁干擾和電路之間的耦合，會(huì)產(chǎn)生外在噪聲。這些噪聲源都需要一個(gè)特定的電路或策略來(lái)降低耦合強(qiáng)度或減少噪聲，或兩者兼而有之。

噪聲耦合抑制技術(shù)涉及設(shè)計(jì)特定電路、使用特定的器件，或在物理布線中放置一些結(jié)構(gòu)來(lái)抑制特定的噪聲源。對(duì)于 PCB 設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，修改物理布線以盡量抑制各種噪聲源非常簡(jiǎn)單。本文將介紹可以使用哪些工具來(lái)抑制系統(tǒng)中不同類型的噪聲。

將噪聲耦合抑制技術(shù)與噪聲源相匹配

噪聲通常是指出現(xiàn)在互連或電路中的任何不需要的信號(hào)，并且可以有多個(gè)來(lái)源。有時(shí)，除非掌握必要的信息，否則很難為特定的噪聲確定具體的來(lái)源。當(dāng)在電路或互連中檢測(cè)到噪聲時(shí)，最好了解是哪種耦合機(jī)制帶來(lái)了不必要的噪聲。

所有的電子噪聲最后都會(huì)導(dǎo)致在接收器上讀到不需要的信號(hào)，這意味著某種機(jī)制在受干擾電路或互連中誘發(fā)了一些電壓/電流。噪聲通過(guò)三種可能的機(jī)制耦合：

傳導(dǎo)：由于噪聲源和受干擾電路之間的直接接觸，在一個(gè)電路中產(chǎn)生的任何噪聲電流都可以傳導(dǎo)到另一個(gè)電路。

電場(chǎng)耦合：一般是指由于電場(chǎng)的存在而在電介質(zhì)中感應(yīng)出位移電流。在電路模型方面，電場(chǎng)耦合指的是通過(guò)寄生電容耦合。

磁場(chǎng)耦合：變化的磁場(chǎng)可以通過(guò)法拉第定律在導(dǎo)體中誘發(fā)電流，而不需要噪聲源和受干擾電路之間有直接接觸。

第一種被稱為傳導(dǎo)型 EMI，它依賴于噪聲源和受干擾互連/電路之間的直接接觸。后兩種會(huì)將輻射型 EMI 耦合到電路中，這是指沒(méi)有傳導(dǎo)到受干擾電路或互連的噪聲。

由于輻射型 EMI 可以誘發(fā)電流和電壓，一開始的輻射型 EMI 可以作為傳導(dǎo)型 EMI 被接收。這意味著有兩種方法來(lái)消除電子電路中的噪聲：

防止輻射型 EMI 以電容和電感方式誘發(fā)電路中的噪聲。

抑制任何傳導(dǎo)型 EMI，不管它是如何在電路中產(chǎn)生的。

接下來(lái)了解一下可以抑制電子系統(tǒng)中這兩種類型噪聲的布線策略。

濾波電路

濾波電路是消除傳導(dǎo)型 EMI 的經(jīng)典方法，因?yàn)?a href="http://wenjunhu.com/tags/濾波器/" target="_blank">濾波器直接作用于電路中的電壓/電流。濾波器可以是寬帶的，如低/高通濾波器，或極窄帶的，如陷波濾波器。EMI 濾波器可以是單一器件，如共模扼流圈，或是涉及多個(gè)器件的復(fù)雜電路。這些電路可以針對(duì)單一頻率或較寬的頻率范圍來(lái)使用。

濾波電路可以消除源自輻射型 EMI 的傳導(dǎo)型 EMI。通過(guò)這種方式，濾波電路抑制了來(lái)自電路 1 和電路 2 的任何噪聲耦合。

印刷屏蔽結(jié)構(gòu)

這個(gè)方法聽起來(lái)略顯陌生，但它通常是指 PCB 上任何可以對(duì)輻射型 EMI 提供屏蔽的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)的目的是改變 PCB layout 中的寄生效應(yīng)，從而阻斷電磁感應(yīng)的電流。這種結(jié)構(gòu)的例子包括：

電子帶隙結(jié)構(gòu)

表層覆銅接地

額外的平面層

沿著波導(dǎo)或天線饋線等重要互連的過(guò)孔柵欄

重新設(shè)計(jì)互連結(jié)構(gòu)

這種方法的目標(biāo)是抑制導(dǎo)致磁耦合或電耦合的寄生效應(yīng)。要成功做到這一點(diǎn)，需要從物理布線中提取寄生電容和電感的模型?；ミB阻抗取決于自電感和自電容的值，而寄生效應(yīng)總是會(huì)導(dǎo)致互連阻抗與期望值有所偏差。一些額外的印刷結(jié)構(gòu)或重新設(shè)計(jì)互連的幾何形狀有助于減少寄生效應(yīng)，并減少通過(guò)輻射型 EMI 耦合到互連的任何噪聲的強(qiáng)度。

總結(jié)

綜上所述，沒(méi)有哪種特定的技術(shù)可以抑制所有形式的噪聲耦合。在系統(tǒng)中使用哪種具體的噪聲耦合抑制技術(shù)，取決于所涉及的特定噪聲源和電路間耦合的功率。我們通過(guò)下列表格對(duì)上文討論的噪聲源和抑制方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要總結(jié)。

如果有了合適的降噪技術(shù)，并準(zhǔn)備在系統(tǒng)中進(jìn)行驗(yàn)證，最好在做原型設(shè)計(jì)之前使用仿真來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估。傳導(dǎo)型 EMI 可以在電路仿真中用 SPICE 進(jìn)行檢查。對(duì)于其他噪聲源而言，除非有一個(gè)準(zhǔn)確的電路模型來(lái)描述系統(tǒng)，否則無(wú)法在電路層面上進(jìn)行檢查。因?yàn)檫@些其他的抑制機(jī)制取決于精確的物理布線，所以需要用 3D 場(chǎng)求解器來(lái)全面評(píng)估許多噪聲抑制技術(shù)的有效性。對(duì)于 PCB 設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，最好的場(chǎng)求解器應(yīng)用可以直接在 PCB 設(shè)計(jì)工具內(nèi)使用，并能直接根據(jù)布線數(shù)據(jù)運(yùn)行模型。