数字电路产生的噪声

在数字电路中电磁噪声产生的机制

【导读】由于有助于简化电子设备设计和显著提高性能，数字电路在电子设备中得到了广泛应用。另一方面，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”的措施。

图1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。本章节将介绍数字电路产生这些噪声的机制。

图1 数字电路用于各种电子设备并成为噪声的起因

1. 信号频率和噪声之间的关系

如图2所示，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。章节2将进一步介绍这些电流。

图2 数字信号的示例（4MHz时钟脉冲）

图3和4展示了通过改变数字电路产生的噪声和信号频率所测量的示例。图中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。将在下一章节中进一步讲述谐波。

在图4中的噪声测量结果中，H表示的线显示了水平极化无线电波的测量结果，而V表示的线显示了垂直极化无线电波的测量结果。在本课程中，除非另行说明，下列各图都将使用这一规则。

图3 测量配置

图4 数字电路所发出噪声的示例

2. 数字电路为什么会产生噪声

为阐释数字电路产生的噪声，我们以一个由两个IC间的信号线组成的简化电路为例。

如图5所示，我们考察这样一种情形: 一根连接两个数字IC的信号线传输信息。两个IC间的电流可以简化为如图6所示。[参考文献 4]

在图5和6中，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。

图7展示了切换瞬间电流和电压的示意图。图7还展示了针对驱动器IC输出电阻(R)的建模。信号电平切换的速度视输出电阻和电容而变。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。后文中将介绍更为实际的模型。

在这种情况下，两个IC间的电流流经图6中电容充电侧的橙色路径，在放电侧则流经图中的蓝色路径。这一电流使数字电路产生噪声。

图5 连接数字电路的线路的示例

图6 数字电路的运行模式

图 7 信号电平改变时电流的流动

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，如图8(b)所示。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。

因为噪声源是驱动器内的切换开关，所有可以说在图5的模型中噪声源在驱动器内。

图8 线路中电流流动图

3. 短路电流

图6指出了另一种绿色电流。这种电流被称为短路电流，也会成为一种噪声起因。因为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，会产生如图8(b)中(3)所示的类似长钉的电流。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。图8显示，短路电流流过驱动器内开关的上方和下方。

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。有时，牢记这个性质有助于区分噪声源或路径与产生的噪声频率。

频率中被称为谐波的成分会在循环频率的整数倍处产生。这一部分将在后文中进一步讲述。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。

为简化模型，图6显示电容在信号线和接地之间。但事实上，电容也会存在于信号线和电源之间。所以，到电源和接地都有电流路径。

4. 去耦电容器

图6中所示的电流路径不仅包括信号线，也包括电源和接地。这就意味着连接信号线不足以传输信号，还必须将其连接至电源和接地。

图6的左侧还显示了“去耦电容器”。这是一种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，但在图6的情形下，它也在传输信号的电流路径中发挥着作用。去耦电容器的操作将在章节3-1中进一步讲述。

图9 平稳运行的数字IC旁总会安装去耦电容器

我们来设想一下，如果没有这个电容器，电流路径是怎样的。如图10所示，流经电源和接地的电流将通过远离IC的电源流动，因而电感很大，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。

因此，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，如图 10所示。

图10 有/无去耦电容器的电流路径的区别

经过去耦电容器的电流环路越小，产生的噪声量就越小。信号质量也将得到改善。因此，去耦电容器应尽量靠近IC放置。章节3-1将详细讲述如何使用去耦电容器。

5. 共模噪声的感应

图6所示的信号电流形成了一个电流环路，并将此环路作为天线发射无线电波，如图11所示。我们将其称为普通模式电流发射噪声。（为简化噪声发射机制，此示例通过环形天线建模。因为现实世界中的电子设备拥有更为复杂的形状，无法仅通过一个环形天线来表示。）