连载 | 村田静噪小课堂 : 噪声问题复杂化的因素[八]

同学们,

《静噪基础课程》本期继续开讲！

上一章介绍的是

产生电磁噪声的机制

本节为你详细介绍噪声的传导和反射

第 3 章
噪 声 问 题 复 杂 化 的 因 素

第1章 为什么需要EMI静噪滤波器

第2章 产生电磁噪声的机制

第3章 噪声问题复杂化的因素

3-1.简介

3-2.谐振和阻尼

3-3.噪声的传导和反射

• 3-3-1. 数字信号对脉冲波形的影响

  
  

• 3-3-2. 特性阻抗和反射

  
  

• 3-3-3. 数字电路阻抗匹配

  
  

• 3-3-4. 驻波

  
  

• 3-3-5. 阻抗因传输线路而变化

  
  

• 3-3-6. 多重反射导致的谐振

  
  

• 3-3-7. 数字信号的终止

  
  

• 3-3-8. 对EMC措施的影响

  
  

• 3-3-9. 如何防止噪声传导

  
  

• 3-3-10. S参数

  
  

3-4.源阻抗

3-5.小结

3-3噪声传导和反射

3-3-7. 数字信号的终止

‍‍‍‍‍‍‍‍‍(1) 较长导线也需要针对数字信号进行终端匹配

前已述及，当传输线路的特性阻抗等于负载阻抗时，所有能量将会传输到负载而不会发生反射。这种状况被称为“匹配”。例如，图3-3-11(a)和图3-3-12(a)在信号线的末端连接了一个50Ω的电阻器，以便能够与特性阻抗(50Ω)匹配。

在这种情况下，电场（电压）和磁场（电流）是一致的，不会观察到任何驻波。

图3-3-18 阻抗匹配

如果是数字信号，当C-MOS IC相互连接时，信号线两端通常都会造成反射。但是，如果导线较短，谐振频率就会非常高，不会导致任何实质性的问题。如果导线变长，谐振频率会降低，变得具有影响力，因而可能需要匹配。如图3-3-19所示，可在驱动器侧或接收器侧进行阻抗匹配。

图3-3-19 数字电路的阻抗匹配

(2) 驱动器侧终端匹配

在驱动器侧图3-3-19(a)进行匹配时，将一个电阻器或铁氧体磁珠串联连接到信号线。这类似于电路的阻尼电阻器。特有的区别在于如何选择电阻值。

选择的电阻值要能补足驱动器侧输出电阻和特性阻抗之差。这时，接收器侧仍会造成反射，导致信号线上存在驻波，使导线中部的波形失真。因此，这适用于导线中部未连接任何电路的一对一信号传输。

(3) 接收器侧终端匹配

在接收器侧图3-3-19(b)进行匹配时，如图所示将电阻值等于特性电阻的电阻器连接到地线或电源。在这种情况下，不会导致任何驻波，因此，即使是从导线中部提取信号，也能获得规整的脉冲波形。

但是，由于电流流入负载电阻器，这种匹配也存在一些劣势，如降低信号振幅，导致功率损耗。为了在静止的状态下减少功率损耗，可以加入电容器与电阻器串联。

3-3-8. 对EMC措施的影响

尽管就产生驻波和谐振对传输数字信号而言是不利的现象，但它们是研究噪声传导和制定应对措施时需要考虑的重要特性。当物体噪声频率升高时，需要基于噪声传导路径会像传输线一样（产生驻波）的假设采取相应措施和EMC措施。

关于主要影响的示例将在下面讲述。

(1) 电压和电流随测量点变化

当针对EMC措施使用探针寻找噪声源时，即使在同一根导线上，但一个部分的噪声比较大，而其他部分的噪音比较小。此外，就电压和电流（磁场）而言，产生较大噪声的位置不相同。因此，如果噪声抑制前后的测量点不同，就无法正确评估产生的影响。

图3-3-20显示了频谱的变化，以此作为使用如图3-3-10所示测量系统移动测量点时导致变化的一个示例。

图3-3-20 各点频谱变化的示例

当探针移动几厘米时，可以发现频谱的形状和电平出现变化。如果要找出噪声大的位置，就需要牢记这种变化，并在诸多点上进行测量，以确定噪声强度。

(2) 阻抗和EMC措施相关元件的作用随位置而变化

当产生驻波时，电压波腹（电流波节）处的阻抗高，而电压波节（电流波腹）处的阻抗低。阻抗的高低影响着该位置所连接EMC措施相关元件的效果。（但是，驻波的形状随频率而变化。因此，当连接一个EMC措施相关元件时，不能一概断定其对所有频率位置而言是有利或不利。）

例如，图3-3-21给出了图3-3-11中电流驻波随频率发生的变化。电流大的地方阻抗小（偏红），电流小的地方阻抗大（偏蓝）。可以发现这些位置根据频率发生变化。

图3-3-21 不同频率处驻波变化的示例

一般而言，旁路电容器在阻抗降至超小值（电流波腹）的位置处具有较小的影响。图3-3-9用箭头了指出了这样的位置。如果在此位置处放置一个元件，其对频率的影响会减弱，因而需要另外使用铁氧体磁珠等。（可以移动此位置。但可能会在另一个频率处出现问题。）

相反，铁氧体磁珠在阻抗局部超高点可能影响更弱。

就降噪效果而言，结合了电容器和铁氧体磁珠的LC滤波器可能相对不那么容易受到阻抗波动的影响。

(3) 谐振频率随导线长度而变化

由于使传输线发生谐振的频率会产生很大的电压和电流，因此可能会导致很强的噪声发射。此频率随导线长度而变化。因此，如果像图中所示那样因重新布置IC而改变导线长度，则可能在意想不到的频率处使噪声增大。这类问题难以预测，因为电路图通常不会指明导线长度。

除了信号线之外，电源模式、电缆和屏蔽表面也可能形成传输线并导致谐振。这类谐振器就像完好的天线一样，会发射噪声。

图3-3-22 导线长度变化导致谐振改变

(4) 电缆或屏蔽板会产生驻波，成为状态完好的天线

就电缆连接至电子设备或者设备中使用金属板作为天线的机制而言，这样的导体可以被视为像传输线一样产生谐振。（但是，天线的特性阻抗一般不是恒定的。）

例如，如图3-3-23所示，当电子设备连接至有开放端的电缆时，电缆可以被视为有开口端的传输线路。在这种情况下，电缆产生的驻波在端部的电流为零（如图所示）。因此，基部的阻抗降低，电流在端部不连接任何元件的情况下流动。在电缆长度等于四分之一波长奇数倍的频率处，会产生谐振，因而也可能发射噪声。

这时，基部的阻抗较小，因此，噪声可能会由增加阻抗的元件（如铁氧体磁心）所控制。

图3-3-23 带开放端的电缆上产生电流

如图3-3-24所示，如果一端有金属板连接到地线（当一端连接了屏蔽板时），会产生接地部件处电压为零的驻波。使金属板长度等于四分之一波长奇数倍的频率会导致谐振，且很可能造成噪声发射和感应。如果两端都连接到地线，会产生在两端电压均为零的驻波，因此，使金属板长度等于二分之一波长整数倍的频率会导致谐振。为消除这样的问题，连接到地线的各点之间的间隔应缩短到噪声波长的大约十分之一或以下。

图3-3-24 金属板连接到地线，金属板端作为天线

如上所述，在（较高）频率范围内，其中电子设备所使用导体的大小超过四分之一波长（例如10cm时使用750MHz），导体可能作为天线。如果物体噪声的频率很高，则需要注意物体尺寸与波长之间的关系。

3-3.噪声传导和反射 - 重点内容

√ 根据传输理论，电以波的形式进行传导和反射。

√ 线路特性阻抗和负载阻抗之间的任何偏差都会导致反射。

√ 反射导致线路上产生驻波，进而使阻抗发生变化或者产生谐振。

√ 在使导线长度为二分之一波长的频率间隔处，会反复产生谐振。

√ 可采用两种方法来停止噪声传导: 增强反射和内部衰减。

√ 元件特征可通过S参数表示。

附：第三章参考文献及下载

1. [1] [Japanese] 電気理論（第2版），池田哲夫，森北出版 2006

   
   

2. [2] High-Speed Digital Design: a Handbook of Black Magic，Howard Johnson, Martin Graham，Prentice Hall PTR, 1993

   
   

3. [3] High-Speed Signal Propagation: Advanced Black Magic，Howard Johnson, Martin Graham，Pearson Education, Inc. 2003

   
   

4. [4] [Japanese] よくわかるプリント板実装の高速・高周波対策，井上博文，日刊工業新聞社 2009

   
   

5. 数字IC电源静噪和去耦应用手册 (点击下载PDF: 3.5MB) ，Murata Manufacturing Co., Ltd. Catalog C39C, 2010

   
   

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