微控制器EMC的主要躁聲源是來自哪里

根據(jù)一般EE的經(jīng)驗，尤其是高頻率的窄帶噪聲比寬帶噪聲能耗高，因此以下章節(jié)將集中于窄帶噪聲。

3.1.1震蕩器

當涉及到時鐘和窄帶噪聲，就會自然而然地想到振蕩器。 圖 3-2顯示了典型一般微控制器的石英震蕩器信號X1 和 X2 的措施。 雖然信號不是完全的正弦波形，但比較接近。 事實上，根據(jù)頻譜分析僅能表示少數(shù)一些諧波。此外，和微控制器的總功耗相比，振蕩器的功耗是相當較低的，因此一般微控制器的石英振蕩器引起的噪音輻射相當?shù)汀Ｈ欢?，信號形狀和其頻譜可能大大有別于其他類型的振蕩器，例如RC 振蕩器。

注:雖然石英晶體振蕩器不是輻射的大問題，但它可能容易受到噪音的影響，因此當進行微控制器的震蕩器模塊布線時必須特別注意。

圖 3-1: 石英震蕩器 X1和X2信號

3.1.2內(nèi)核， PLL和時鐘樹

正弦時鐘不能使用在如微控制器等內(nèi)部是數(shù)字邏輯的器件上，因此，在一般的 CMOS微控制器上，振蕩器時鐘被整形為矩形，并且通過時鐘樹分布在內(nèi)部裝置中。由于時鐘具有多種用途，到時鐘樹的各分支具有傳播延遲，必須調(diào)整時鐘邊緣到各地裝置大約在同一時間。所有開關(guān)型核心元件拉電流幾乎是在同一時間內(nèi)，由此內(nèi)核的脈沖電流是一個主要的內(nèi)核噪聲源。 一般微控制器通常使用兩種邊緣的時鐘，由此內(nèi)核電流的窄帶頻譜在內(nèi)核的運行頻率及其諧波頻率上呈現(xiàn)電流峰值，呈現(xiàn)的最高頻率一般是內(nèi)核運行頻率的兩倍。由于一般微控制器通常包括一個或多個時鐘分頻器，因此低頻諧波也必須考慮。 最后，內(nèi)部數(shù)據(jù)操作等在低電平時提供一些寬帶噪聲。 一方面，振蕩器之前的外擴也是一個小的噪聲源，另一方面，內(nèi)核電流是和內(nèi)核的運作頻率相關(guān)的。在下兩種情況下，提供的內(nèi)核頻率是一樣的，利用一個較慢的振蕩器和鎖相環(huán)( 例如 4 MHz′4=16 MHz )或使用較快振蕩器(例如 16MHz)，這樣應(yīng)當引起相似級別的輻射。

3.1.3外部存儲器接口

外部存儲器接口包括地址總線，數(shù)據(jù)總線和一些控制信號。地址總線由微控制器輸出，由于非線性存取順序提供的是非周期信號，因此，從 EME角度講，地址總線相當于寬帶噪聲，低地址位通常比較高的地址位具有更多的開關(guān)頻率，所以這些都是較為重要的信號。

如果外部存儲器是只讀或Flash存儲器，數(shù)據(jù)總線由存儲器驅(qū)動，即便內(nèi)存是RAM，讀取周期也通常占主導(dǎo)地位。 因此，數(shù)據(jù)總線的電磁輻射主要是由決定于存儲器。

對于控制信號的電磁輻射，是存儲器接口上最應(yīng)當注意的部分。最關(guān)鍵的信號是系統(tǒng)和/或內(nèi)存的時鐘驅(qū)動器(SDRAM)，因為它可產(chǎn)生巨大的窄帶噪聲，在激活狀態(tài)下，即使引腳是開路的，它的躁聲也是較大的(參見到I/O端口串擾的說明)，因此無論任何地方，時鐘驅(qū)動器都應(yīng)該被關(guān)掉。最后，由于這些開關(guān)信號(RAS， CAS， ASTB等)常常無規(guī)律的反復(fù)跳變，所以它們是潛在的躁聲源。

3.1.4I/O-ring上的通用端口

這些引腳的電磁輻射無法估計，由于這些引腳一般由用戶配置。 靜電或偶爾開關(guān)引腳應(yīng)不會造成重大的輻射，而頻繁開關(guān)切換的引腳已被視為潛在噪音來源。重復(fù)的切換引腳由于其窄帶特性可能比非重復(fù)引腳包括較高的噪聲，例如系統(tǒng)時鐘或CSI時鐘，還有CSI數(shù)據(jù)輸出或CAN數(shù)據(jù)輸出。

3.1噪聲傳播到非開關(guān)引腳

開關(guān)引腳是很明顯的噪聲源，更糟糕的是，它會對不相連的引腳產(chǎn)生輻射影響?，F(xiàn)在這里對其中一些作一下敘述。

3.1.1控制器供電系統(tǒng)

供應(yīng)系統(tǒng)一般是由一個或多個電源引腳以及相對應(yīng)的地引腳組成，一般一般微控制器提供幾種隔離供電系統(tǒng)，不同的電源以及相對應(yīng)的地是彼此相互隔離的，每個供電系統(tǒng)必須至少有一個去藕電容，在較寬的頻率范圍提供所需低阻抗電源。

在微控制器內(nèi)部，任何元件都直接或間接地連接到至少一個供電系統(tǒng)上，這樣，微控制器內(nèi)部任何轉(zhuǎn)換都會引起電流流動。電流輻射是與電流流動的環(huán)路面積成正比的，因此，這些回路要設(shè)計盡可能小，在這里最佳示例是微控制器與去耦電容之間的電流回路。

任何電源都具有非0Ohm的源阻抗， 特別是在頻率較高的情況下，導(dǎo)線電感阻抗變得很大時，因此脈沖電流會將紋波疊加到直流電源上以至引起輻射，所以提供給微控制器低阻抗的電源，可減少這種輻射。

3.1.2內(nèi)核到 I/O口的躁聲串擾

(1)共同阻抗耦合

任何兩個電路在它們的供電時共用同一阻抗，彼此之間將會產(chǎn)生串擾。下例圖左邊部分說明了核和I/O利用同一電源的情況下的核噪聲。 這個噪聲是由與壓降相關(guān)的核電流引起的，這里的壓降是通過粘合線和引腳自感引起的，在圖 3-3中，以電阻的形式表示。即使PCB的電源電壓系統(tǒng)是遠離各種紋波電壓，但片內(nèi)電源也是有躁聲的。因為端口緩沖區(qū)和內(nèi)核是同一種內(nèi)部電源，噪聲通過激活的晶體管傳遞到每個輸出接腳，這不僅影響輸出管腳，還影響輸入引腳，輸入引腳被影響取決于芯片內(nèi)部的寄生電容(例如保護電路)。 在對 EME敏感的情況下，可能需要對每一個引腳濾波，至少對于多引腳的微控制器，這是基于成本和空間的原因。

圖 3-2: 共用與隔離電源的串擾

如圖 3-3的右半部分，是內(nèi)核隔離供電系統(tǒng)的例子，通過此辦法耦合到外部。 為了有效避共同阻抗耦合的弊端，應(yīng)該從電源和地面兩方面的隔離來考慮，這樣，內(nèi)核的I/O端口關(guān)聯(lián)輻射可大大改善。

(2)容性和感性耦合

根據(jù)一般EE 經(jīng)驗，共同阻抗耦合是引起從內(nèi)核到 I/O 端口的串擾的重要原因，不過，容性和感性耦合在芯片內(nèi)部或者包裝上也會發(fā)生。由于具有相當高的源阻抗，電容耦合應(yīng)該不會有太大問題。只要一個高頻電流在另一條導(dǎo)線邊流過，就會發(fā)生電感耦合， 在芯片內(nèi)部，通過優(yōu)化走線已經(jīng)把這一效應(yīng)降至最低，但是粘合線難以優(yōu)化，因為它是一個高度連接結(jié)構(gòu)，因此與內(nèi)核 電源和地引腳附近的引腳，必須要考慮內(nèi)核關(guān)聯(lián)躁聲。

3.1.3I/O端口間的串擾

如上所述，由于共同阻抗耦合的串擾效應(yīng)一般也發(fā)生在I/O端口之間。顯然，不是每一個I/O端口可以被提供獨立的供電系統(tǒng)。雖然串擾的影響可以通過芯片設(shè)計措施減到最低，但不能避免。 比如，應(yīng)用方面可以利用的對策是降低頻率或?qū)τ绊懽顕乐匾_進行濾波。 通常輸入的串擾比輸出的串擾低，重新配置輸入和輸出可以幫助解決這個問題，不必要的開關(guān)信號也應(yīng)該避免， 例如，如果系統(tǒng)時鐘驅(qū)動器沒有被使用(引腳開路)但處于活動狀態(tài)，只要對其它 I/O端口的串擾稍高，就不符合EME的苛刻要求。

圖3-3:I/O端口間的串擾