【導讀】由于有助于簡化電子設備設計和顯著提高性能，數(shù)字電路在電子設備中得到了廣泛應用。另一方面，數(shù)字電路相對而言更容易產(chǎn)生噪聲，也需要根據(jù)噪聲規(guī)定采取針對“不需要的輻射噪聲”的措施。
圖1展示了使用數(shù)字電路的電子設備可能發(fā)出的噪聲的類型。通常，噪聲在很寬頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生，如果與電視和/或收音機等電子設備的頻率重疊，就會造成接收干擾。本章節(jié)將介紹數(shù)字電路產(chǎn)生這些噪聲的機制。
圖1 數(shù)字電路用于各種電子設備并成為噪聲的起因
信號頻率和噪聲之間的關系
如圖2所示，數(shù)字電路通過切換高低信號電平操作電路，從而傳輸信息。切換信號電平的瞬間，高頻電流流過信號線。電流不僅在信號線中流動，也在電源和接地中流動。數(shù)字電路中使用的這些高頻電流被視為噪聲的起因。章節(jié)2將進一步介紹這些電流。
圖2 數(shù)字信號的示例（4MHz時鐘脈沖）
圖3和4展示了通過改變數(shù)字電路產(chǎn)生的噪聲和信號頻率所測量的示例。圖中以時鐘脈沖發(fā)生器作為數(shù)字電路的示例，并通過放置在三米外 測量區(qū)域（電波暗室）內(nèi)的天線測量發(fā)生器產(chǎn)生的噪聲。在時鐘脈沖發(fā)生器的信號頻率從4MHz變?yōu)?0MHz再變?yōu)?6MHz期間，觀察噪聲發(fā)生變化的頻率 間隔和水平。這樣就能在時鐘信號的離散頻率處觀察噪聲，這些成分被稱為信號的諧波。將在下一章節(jié)中進一步講述諧波。[page]
在圖4中的噪聲測量結(jié)果中，H表示的線顯示了水平極化無線電波的測量結(jié)果，而V表示的線顯示了垂直極化無線電波的測量結(jié)果。在本課程中，除非另行說明，下列各圖都將使用這一規(guī)則。
圖3 測量配置
圖4 數(shù)字電路所發(fā)出噪聲的示例
數(shù)字電路為什么會產(chǎn)生噪聲
為闡釋數(shù)字電路產(chǎn)生的噪聲，我們以一個由兩個IC間的信號線組成的簡化電路為例。
如圖5所示，我們考察這樣一種情形: 一根連接兩個數(shù)字IC的信號線傳輸信息。兩個IC間的電流可以簡化為如圖6所示。[參考文獻 4]
在圖5和6中，一根信號線將信號從左側(cè)驅(qū)動器傳輸?shù)接覀?cè)驅(qū)動器。連接與電源側(cè)或接地側(cè)驅(qū)動器內(nèi)信號線相連的開關（包括一個晶體管），可能 使信號電壓發(fā)生變化。當驅(qū)動器側(cè)的開關打開時，輸入終端的電容（多個pF的極少量靜電容量）在接收器側(cè)充電或放電。當驅(qū)動器輸出的信號電壓根據(jù)電容的充電 和放電變化時，信息從驅(qū)動器傳輸?shù)浇邮掌?。[page]
圖7展示了切換瞬間電流和電壓的示意圖。圖7還展示了針對驅(qū)動器IC輸出電阻(R)的建模。信號電平切換的速度視輸出電阻和電容而變。請注意，本模型經(jīng)過了大量簡化，僅能展示電路的運行，而不足以解釋噪聲。后文中將介紹更為實際的模型。
在這種情況下，兩個IC間的電流流經(jīng)圖6中電容充電側(cè)的橙色路徑，在放電側(cè)則流經(jīng)圖中的藍色路徑。這一電流使數(shù)字電路產(chǎn)生噪聲。
圖5 連接數(shù)字電路的線路的示例
圖6 數(shù)字電路的運行模式
圖 7 信號電平改變時電流的流動
由于此時電流是電容（電容器）充電和放電所產(chǎn)生的，在信號切換的瞬間，電流像長釘一樣流動，如圖8(b)所示。這種波形包含各種頻率，通過用作天線的線路發(fā)射出來，從而造成噪聲干擾。根據(jù)電路的寄生電感，電流的突然變化會造成感應電壓。電壓也成為噪聲的起因。
因為噪聲源是驅(qū)動器內(nèi)的切換開關，所有可以說在圖5的模型中噪聲源在驅(qū)動器內(nèi)。[page]
圖8 線路中電流流動圖
短路電流
圖6指出了另一種綠色電流。這種電流被稱為短路電流，也會成為一種噪聲起因。 因為當驅(qū)動器內(nèi)的開關切換時，C-MOS數(shù)字IC只在一瞬間使電源和接地相互連接，會產(chǎn)生如圖8(b)中(3)所示的類似長釘?shù)碾娏?。這種電流被 稱為短路電流。它不會流進信號線，但會作為急劇變化的電流流進電源和接地。因此，這種電流可能成為電源和接地中噪聲的起因之一。圖8顯示，短路電 流流過驅(qū)動器內(nèi)開關的上方和下方。
與信號電流不同，在信號上升和下降時短路電流的方向相同。因此，從頻率的角度而言，其頻率是雙重信號循環(huán)頻率。有時，牢記這個性質(zhì)有助于區(qū)分噪聲源或路徑與產(chǎn)生的噪聲頻率。
頻率中被稱為諧波的成分會在循環(huán)頻率的整數(shù)倍處產(chǎn)生。這一部分將在后文中進一步講述。短路電流產(chǎn)生的噪聲可能在與信號的偶次諧波相重疊的頻率處（雙信號頻率的累積相乘）出現(xiàn)。因此，如果偶次諧波造成一個問題，除了信號之外，電源也可能是問題的起因。
為簡化模型，圖6顯示電容在信號線和接地之間。但事實上，電容也會存在于信號線和電源之間。所以，到電源和接地都有電流路徑。[page]
去耦電容器
圖6中所示的電流路徑不僅包括信號線，也包括電源和接地。這就意味著連接信號線不足以傳輸信號，還必須將其連接至電源和接地。
圖6的左側(cè)還顯示了“去耦電容器”。這是一種用于連接電源和接地的旁路電容器。盡管此電容器用于穩(wěn)定IC電源電壓或即時供應電源電流，但在圖6的情形下，它也在傳輸信號的電流路徑中發(fā)揮著作用。去耦電容器的操作將在章節(jié)3-1中進一步講述。
圖9 平穩(wěn)運行的數(shù)字IC旁總會安裝去耦電容器
我們來設想一下，如果沒有這個電容器，電流路徑是怎樣的。如圖10所示，流經(jīng)電源和接地的電流將通過遠離IC的電源流動，因而電感很大，無 法正常流動（因此，信號脈沖波形會變形，或者IC操作速度減慢）。此外，由于產(chǎn)生噪聲的電流流過電路的區(qū)域很廣，產(chǎn)生的噪聲會更多。
因此，去耦電容器是數(shù)字IC非常重要的組成部分，不僅是為了穩(wěn)定電壓（稱為“PI” - 電源完整性），也是為了正確傳輸信號（稱為“SI” - 信號完整性）和抑制電磁噪聲(EMI)。從EMI抑制的角度看，去耦電容器的運行體現(xiàn)在限制包含流入IC附近電源和接地的噪聲的高頻電流，如圖 10所示。
圖10 有/無去耦電容器的電流路徑的區(qū)別
經(jīng)過去耦電容器的電流環(huán)路越小，產(chǎn)生的噪聲量就越小。信號質(zhì)量也將得到改善。因此，去耦電容器應盡量靠近IC放置。章節(jié)3-1將詳細講述如何使用去耦電容器。[page]
共模噪聲的感應
圖6所示的信號電流形成了一個電流環(huán)路，并將此環(huán)路作為天線發(fā)射無線電波，如圖11所示。我們將其稱為普通模式電流發(fā)射噪聲。（為簡化噪聲發(fā)射機制，此示例通過環(huán)形天線建模。因為現(xiàn)實世界中的電子設備擁有更為復雜的形狀，無法僅通過一個環(huán)形天線來表示。）
圖11 普通模式電流發(fā)射噪聲
除圖11所示的普通模式外，現(xiàn)實世界中的電子設備還會發(fā)出其他模式噪聲。如圖6所示，電流不僅會流經(jīng)信號線，也會流經(jīng)接地和電源 線。這些電流可能導致產(chǎn)生更具影響力的噪聲，稱為共模噪聲，如圖12所示。這種產(chǎn)生共模噪聲的機制將在章節(jié)5-3中進一步講述。
圖12 共模噪聲的感應
共模噪聲不僅會出現(xiàn)在接地，也會出現(xiàn)在電源和信號線。由于接地延伸到印刷線路板周圍的所有區(qū)域，如果產(chǎn)生共模噪聲，則電路板本身會作為天線發(fā)射噪 聲，或者從用作天線的連接至印刷線路板的各種電纜發(fā)出。因為用作天線的導體遠遠大于信號線，盡管電壓很小，但卻會發(fā)出很強的噪聲。
圖13展示了電子設備發(fā)射的概念圖（包括共模噪聲）。因信號電流原來的發(fā)射部分是由①的普通模式發(fā)出的。因為天線很小，噪聲發(fā)射到達相對較小的區(qū)域。但是，如果電流感應到了共模噪聲，整個印刷線路板②可能成為天線，或電纜③可能成為天線，導致更強的噪聲發(fā)射。
共模噪聲不但容易產(chǎn)生，而且會通過接地和電源傳導，所以一旦產(chǎn)生了共模噪聲，就難以停止噪聲傳播。例如，圖13中的電纜連接至一個接口IC。然后共模噪聲會經(jīng)由此IC的電源和接地通過電纜傳導。[page]
要有效抑制噪聲，防止產(chǎn)生共模噪聲非常重要。為此，降低接地的阻抗，以便抑制共模噪聲的出現(xiàn)（稱為接地增強），或者在信號線中使用EMI靜噪濾波器阻擋產(chǎn)生的電流。
圖13 共模噪聲的感應和發(fā)射
信號中的諧波
如上所述，傳輸信號的電流本身可能是數(shù)字電路中噪聲的起因之一。圖14提供的測量示例展示了20 MHz時鐘信號轉(zhuǎn)變?yōu)樵肼暤倪^程。
盡管數(shù)字信號的電壓波形是一種簡單的矩形波（如圖14(a)所示），但卻可以分解為分散在很寬頻率范圍中的頻譜（如圖14(b)所示）。這些成分被稱為諧波。當諧波中某部分能量被釋放時，就會產(chǎn)生如圖14(c)所示的噪聲，進而導致噪聲干擾。
如章節(jié)2.1所述，噪聲需要傳輸路徑和天線才能發(fā)射。在使用數(shù)字電路的電子設備中，連接各IC、印刷線路板、電纜和金屬殼體等的線路可以用作傳輸路徑和天 線。一般而言，頻率越高，就越容易被發(fā)射為無線電波。因此，圖14(c)（測量發(fā)出的噪聲）中的諧波噪聲（幾百MHz或更高）可能比圖 14(b)（直接測量信號）中的諧波噪聲看起來更明顯。
要有效抑制噪聲，了解原信號中包含的諧波（圖14(b)中所示）的本質(zhì)非常重要。下一章節(jié)將講述諧波的本質(zhì)。
圖14 數(shù)字信號轉(zhuǎn)變?yōu)樵肼暤倪^程
