【導(dǎo)讀】如導(dǎo)體傳導(dǎo)和共模第一講所述，當(dāng)噪聲通過(guò)電纜傳輸時(shí)，成分中有普通模式和共模。同時(shí)也表明，噪聲電壓的產(chǎn)生以及電子設(shè)備接地中噪聲電流的流動(dòng)被稱為共模噪聲。
在本章節(jié)中，我們將著重于接地中噪聲的產(chǎn)生，并研究產(chǎn)生共模噪聲的一些機(jī)制。
在實(shí)際電子設(shè)備中，產(chǎn)生共模噪聲的機(jī)制非常復(fù)雜。因此，不能通過(guò)簡(jiǎn)單的模型進(jìn)行闡釋。這里介紹的模型包括帶有復(fù)雜數(shù)值的元件，如浮動(dòng)靜電容量，所以它們很難集成到設(shè)計(jì)中。但是，了解這些機(jī)制對(duì)設(shè)計(jì)低噪聲電子設(shè)備非常有用。
產(chǎn)生共模噪聲的示例
(1) 當(dāng)電纜連接到時(shí)鐘信號(hào)接地時(shí)
圖1展示了當(dāng)20MHz時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)5厘米MSL（微帶線）傳輸時(shí)，在30MHz到1GHz的頻率范圍內(nèi)和3米距離處測(cè)量噪聲發(fā)射。圖 1(a)給出了僅使用一個(gè)基板的測(cè)量結(jié)果，而圖1(b)給出了將兩根25厘米電纜連接到接地的結(jié)果。據(jù)此可以推論，當(dāng)電纜連接到接地時(shí)， 整體長(zhǎng)度為1/2波長(zhǎng)頻率（本例中為250MHz）附近，噪聲發(fā)射增大。
因此，可以說(shuō)將導(dǎo)體（如天線）連接到PCB的接地會(huì)增加噪聲，這與章節(jié)5-2中圖5-2-2所示的情形一致。換言之，可以認(rèn)為共模噪聲被此接地感應(yīng)到了。
（圖1中的測(cè)試使用了MSL兩端均接地的基板。這并非常規(guī)MSL的結(jié)構(gòu)。但是，本章節(jié)中還是稱其為MSL。）
(2) MSL在接地中也有噪聲
在本測(cè)試中，使用內(nèi)置3V電池的3厘米×3厘米小型屏蔽罩內(nèi)的振蕩電路產(chǎn)生了時(shí)鐘信號(hào)，以便中和除電纜和MSL以外元件所發(fā)射噪聲的效果。此設(shè)備的外觀如圖1(c)所示。其中的信號(hào)發(fā)生器也在后續(xù)測(cè)試中被用作噪聲源。
這里使用的MSL與理想信號(hào)線路類似。如圖所示，基板正面和背面變成導(dǎo)通的接地層，從根本上防止接地中產(chǎn)生電壓。這樣可以假設(shè)噪聲是由哪種機(jī)制產(chǎn)生的嗎？如何抑制產(chǎn)生的噪聲呢？
圖1 產(chǎn)生共模噪聲的示例
[page]電流驅(qū)動(dòng)型模型
(1) 高接地阻抗高導(dǎo)致共模噪聲
在第一個(gè)模型中，我們將研究為什么會(huì)因?yàn)楦呓拥刈杩苟诮拥刂挟a(chǎn)生電壓。此模型被稱為電流驅(qū)動(dòng)型 [參考文獻(xiàn) 5,6]。
圖2表明，當(dāng)信號(hào)來(lái)回經(jīng)過(guò)接地時(shí)，左右接地中因?yàn)榻拥刈杩巩a(chǎn)生了電壓。噪聲隨著接地阻抗的變大而增強(qiáng)。而且，這種阻抗主要是由有接地模式的電感產(chǎn)生的。
(2) 接地線很細(xì)時(shí)
圖2表明，當(dāng)接地不是接地面而是很細(xì)的接地線時(shí)，接地電感增加。產(chǎn)生噪聲也會(huì)增強(qiáng)。
圖3給出了當(dāng)圖1中的MSL替換為接地較窄的基板時(shí)的測(cè)量結(jié)果。相比圖1，可以發(fā)現(xiàn)噪聲顯著增強(qiáng)，而且噪聲發(fā)射的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了 CISPR22的限值。此電平接近章節(jié)2-4（天線直接連接到數(shù)字電路）中得到的電平。這表明接地都可能成為一個(gè)主要的噪聲源。
這種基板表示不良接地。同樣地，噪聲很多的接地可以被稱為臟接地。
圖2 電流驅(qū)動(dòng)模型
圖3 接地不良的基板發(fā)射噪聲的示例
(3) 接地模式作為偶極子天線
這時(shí)我們可以假定連接到接地的電纜作為偶極子天線運(yùn)作，如圖4(a)所示。我們也可以認(rèn)為，流經(jīng)此天線的電流類似于圖4(b)中所 示的電流，其中一部分信號(hào)電流為形成繞路的成分，經(jīng)過(guò)浮動(dòng)靜電容量卻不直接經(jīng)過(guò)信號(hào)線下面的接地。同樣地，當(dāng)電流在不同于原路徑的路徑上流動(dòng)時(shí)，就會(huì)變成 共模噪聲的來(lái)源。[page]
通過(guò)在旁路中加入電纜和接地，此模型可以擴(kuò)展并變?yōu)轭愃朴趫D5中的模型。圖5中的模型解釋了在電纜中流動(dòng)的共模電流是如何產(chǎn)生的，參見(jiàn)章節(jié)5-2中圖3(b)。
圖4 電流路徑和接地發(fā)射噪聲的示例
圖5 通過(guò)電纜傳導(dǎo)共模電流的模型
(4) 減少共模噪聲
隨著電流和接地阻抗的增加，電流驅(qū)動(dòng)型中的共模噪聲增強(qiáng)。因此，要抑制共模噪聲，可以:
(i)降低接地阻抗
•接地線為平板狀
•在基板下放置金屬板（稱為接地層）并加強(qiáng)接地
•靠攏接地與信號(hào)線（以增加信號(hào)線和接地之間的互感）
•縮短接地線路（縮短返回電流的路徑，必須縮短信號(hào)線）
(ii)減少電流
•增加負(fù)載阻抗
•使用濾波器去除不需要的高頻率范圍成分
(i)中所述措施指的是加強(qiáng)接地。
但是，如圖1中的簡(jiǎn)單測(cè)試所示，即使是在信號(hào)線下面使用具有穩(wěn)定接地層的MSL，仍會(huì)產(chǎn)生少量的共模噪聲。這是因?yàn)?，只要沒(méi)有極其大的接地面，就會(huì)產(chǎn)生細(xì)微的電感。[page]
電壓驅(qū)動(dòng)型模型
(1) 在無(wú)流動(dòng)電流情況下產(chǎn)生噪聲
在電流驅(qū)動(dòng)型模型中，因?yàn)橥ㄟ^(guò)接地的電流流動(dòng)而產(chǎn)生電壓。因此，在沒(méi)有流動(dòng)電流時(shí)應(yīng)該就不會(huì)產(chǎn)生噪聲。但是，在真實(shí)電子設(shè)備中，即使信號(hào)線前面沒(méi)有連接任何元件，也會(huì)頻繁地產(chǎn)生共模噪聲。換言之，即使沒(méi)有電流流動(dòng)，也會(huì)因施加到信號(hào)線上的電壓而產(chǎn)生噪聲。
例如，圖1中的測(cè)試移除了負(fù)載（50Ω終端）。圖6顯示了阻止電流流經(jīng)信號(hào)線時(shí)噪聲的變化。(a)表示有負(fù)載的情形，而(b)表示無(wú)負(fù)載的情形。沒(méi)有負(fù)載時(shí)，噪聲減弱。但是，仍有220MHz噪聲。這一點(diǎn)無(wú)法通過(guò)電流驅(qū)動(dòng)型模型清楚地解釋。
圖6 沒(méi)有電流時(shí)產(chǎn)生噪聲的示例
(2) 共模電流流經(jīng)浮動(dòng)靜電容量
仍然存在的噪聲可通過(guò)電壓驅(qū)動(dòng)型模型來(lái)解釋。圖7簡(jiǎn)化并描述了電壓驅(qū)動(dòng)型 [參考文獻(xiàn) 5,6]。
當(dāng)兩個(gè)平行導(dǎo)體連接到噪聲源時(shí)，具有相同導(dǎo)體長(zhǎng)度的部分成為傳輸線。即使導(dǎo)體前未連接任何元件，還是會(huì)有較少電流流經(jīng)線路間的浮動(dòng)靜電容量CDM。但是，因?yàn)榇穗娏鳛槠胀Ｊ?，噪聲發(fā)射會(huì)減弱。
但是，如果其中一個(gè)導(dǎo)體變長(zhǎng)，噪聲源的一半電壓會(huì)施加到該導(dǎo)體上。這會(huì)與另一個(gè)導(dǎo)體形成一種偶極子天線。電壓驅(qū)動(dòng)型模型允許使用從傳輸線突出的導(dǎo)體以這種方式形成天線。
這時(shí)，在天線中流動(dòng)的電流會(huì)流經(jīng)浮動(dòng)靜電容量Cant，如圖所示。
圖7 電壓驅(qū)動(dòng)模型
[page](3) 接地越寬，共模電壓越低
圖7描述了這樣一種機(jī)制: 如果將更長(zhǎng)的線路作為數(shù)字電路的接地，共模電流會(huì)流經(jīng)數(shù)字電路的接地（如圖8(a)所示）。即使信號(hào)電流和接地阻抗都非常小，但由于信號(hào)線中存在電壓（噪聲源），于是產(chǎn)生了電流。
在這種情況下，關(guān)于接地中產(chǎn)生的共模噪聲電壓，應(yīng)該作何考慮？通過(guò)改動(dòng)圖8(a)中的模型，各信號(hào)線和接地都應(yīng)考慮朝向地線的浮動(dòng)靜電容量，如圖8(b)所示。施加到此模型接地電容Cgnd的電壓變成共模電壓。
在圖8(b)中，隨著接地浮動(dòng)靜電容量Cgnd的增加（也就是說(shuō)接地尺寸增大）而降低，信號(hào)線的浮動(dòng)靜電容量Csig的減小，共模電壓變小。一般而言，如果增大接地尺寸來(lái)加強(qiáng)接地，共模噪聲會(huì)減少。通過(guò)圖8(b)所示模型就可理解這一點(diǎn)。
圖8 將電壓驅(qū)動(dòng)模型應(yīng)用于數(shù)字電路的示例
(4) 共模噪聲流經(jīng)電纜的機(jī)制
如果我們考慮將電纜接至這樣的接地時(shí)，可發(fā)現(xiàn)共模電流會(huì)流經(jīng)電纜（如圖9所示）?？梢约俣ù四Ｐ屯ㄟ^(guò)朝向地線的浮動(dòng)靜電容量回到噪聲源。如 果電纜這樣連接到接地，一部分共模電流（如圖8(a)中箭頭所示）將流過(guò)比圖9更大的路徑。一般而言，將電纜連接到有噪聲的接地會(huì)增加噪 聲發(fā)射的強(qiáng)度。此模型展示了這個(gè)現(xiàn)象背后的機(jī)制。
此模型解釋了電纜中流動(dòng)的共模電流是如何產(chǎn)生的，如章節(jié)5-2中圖5-2-3(b)所示。為對(duì)應(yīng)章節(jié)5-2中的圖5-2-3，圖8和圖9中電流箭頭的方向相反。但實(shí)質(zhì)上是相同路線。
圖9 通過(guò)電纜傳導(dǎo)的共模電流
在電壓驅(qū)動(dòng)型模型中，即使電流不流經(jīng)信號(hào)線或接地，且沒(méi)有接地阻抗，只要信號(hào)線中存在電壓（噪聲源），共模電流就會(huì)流經(jīng)浮動(dòng)靜電容量。[page]
(5) 減少共模噪聲
為有效減少電壓驅(qū)動(dòng)型中的共模噪聲（接地中產(chǎn)生電壓），需要增加Cgnd同時(shí)降低Csig也可以通過(guò)降低圖7和圖8中的Cant來(lái)減少噪聲電流。下面是有效達(dá)到這個(gè)目的的具體方法:
(i)穩(wěn)定接地電勢(shì)
•擴(kuò)大接地且為平板狀（增加Cgnd）
•靠攏信號(hào)線和接地（降低Csig）
•縮短信號(hào)線，避免不必要的突出（降低Cant和Csig）
(ii)降低電壓
•降低驅(qū)動(dòng)電壓
•使用濾波器去除不需要的高頻率范圍
•在有浮動(dòng)噪聲源（散熱器）時(shí)連接到接地
(iii)降低噪聲源的浮動(dòng)靜電容量Cant
•避免誤將有強(qiáng)烈噪聲的元件靠近導(dǎo)線和金屬。
大多數(shù)噪聲抑制技術(shù)與電流驅(qū)動(dòng)型模型中使用的技術(shù)一樣。
(6) 通過(guò)加強(qiáng)接地抑制噪聲
在如圖1所示的噪聲測(cè)試中，可以觀察到同時(shí)連接了電流驅(qū)動(dòng)型噪聲和電壓驅(qū)動(dòng)型噪聲。
無(wú)論采用哪種模型，降低和穩(wěn)定接地阻抗都是非常重要的。例如，圖10給出了通過(guò)將MSL的寬度延長(zhǎng)到50毫米加強(qiáng)接地得到的噪聲測(cè)量結(jié)果。如果您使用多層基板等搭建一個(gè)足夠大的接地層，可通過(guò)這種方式抑制共模噪聲。
圖10 通過(guò)加強(qiáng)接地抑制共模噪聲
(7) 使用EMI靜噪濾波器抑制噪聲
即使基板接地不良，也可以使用合適的EMI靜噪濾波器消除噪聲，從而抑制共模噪聲。
圖11給出了使用具有圖3中不良接地的基板時(shí)在時(shí)鐘信號(hào)（噪聲源）中使用π型EMI靜噪濾波器的示例。盡管此濾波器用于普通模式，但可以將其布置在噪聲源后面（在轉(zhuǎn)換為共模之前），從而有效抑制共模噪聲。此時(shí)，還必須盡可能地降低噪聲源和濾波器之間的接地阻抗。對(duì)于此測(cè)試而言，僅在噪聲源和濾波器之間使用MSL。
如果能在真實(shí)電子設(shè)備中以這種方式找到噪聲源，即使基板接地不良，也可使用普通模式EMI靜噪濾波器來(lái)抑制噪聲。
圖11 在接地不良的基板中使用濾波器抑制噪聲
