同學們,

《靜噪基礎課程》本期繼續(xù)開講！

上一章介紹的是

產生電磁噪聲的機制

本節(jié)為你詳細介紹噪聲的傳導和反射

第 3 章
噪 聲 問 題 復 雜 化 的 因 素

第1章 為什么需要EMI靜噪濾波器

第2章 產生電磁噪聲的機制

第3章 噪聲問題復雜化的因素

3-1.簡介

3-2.諧振和阻尼

3-3.噪聲的傳導和反射

• 3-3-1. 數(shù)字信號對脈沖波形的影響

  
  

• 3-3-2. 特性阻抗和反射

  
  

• 3-3-3. 數(shù)字電路阻抗匹配

  
  

• 3-3-4. 駐波

  
  

• 3-3-5. 阻抗因傳輸線路而變化

  
  

• 3-3-6. 多重反射導致的諧振

  
  

• 3-3-7. 數(shù)字信號的終止

  
  

• 3-3-8. 對EMC措施的影響

  
  

• 3-3-9. 如何防止噪聲傳導

  
  

• 3-3-10. S參數(shù)

  
  

3-4.源阻抗

3-5.小結

3-3噪聲傳導和反射

3-3-3. 數(shù)字電路阻抗匹配

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(1) 數(shù)字信號特性阻抗

數(shù)字信號所使用信號線的特征阻抗有多大？

如圖3-3-6所示，在以電源層和接地層為內層的4層電路板的表面有一根信號線，此信號線可以作為微帶線（以下稱為MSL）來處理，其中信號線的特性阻抗約為50Ω到150Ω。（如果有電源線，特性阻抗值可能更小。）

圖3-3-6 信號線的特性阻抗

(2) 很多數(shù)字電路都未實現(xiàn)阻抗匹配

與此相反，數(shù)字IC的輸入阻抗通常一個幾pF的電容，在頻率為100MHz及以下時，會變成100Ω以上的高阻抗。

因此，如圖3-3-7所示，數(shù)字電路的設計基本上會產生非常高的反射，從而導致在接收器處反射大部分信號能。

圖3-3-7 數(shù)字信號線的阻抗匹配狀態(tài)

此外，數(shù)字IC驅動器側的輸出阻抗也會變化。因此，阻抗匹配并非總是在驅動器側完成，而且也可能導致反射。所以，數(shù)字信號一般會在信號線兩端造成反射（如圖3-3-2所示），而且會在造成多重反射一定程度時被傳輸。

(3) 駐波指示匹配狀態(tài)

盡管為了便于解釋在圖3-3-4中分別描述了輸入波和反射波，但在正常測量中很難單獨觀察這兩種波形（因為示波鏡只會顯示復合波形）。因此，可以按照后面的講述，通過觀察駐波來確定反射狀態(tài)。

如果因驅動器側和接收器側的反射而產生多重反射，傳輸線會形成一種諧振器，使某個特定的頻率變得特別明顯。從正確傳輸數(shù)字信號波形（即“信號完整性”）的角度而言，傳輸線產生的諧振并不可取，因為它會導致振鈴。

此外，從EMC的角度來看，這也是不可取的，因為它會在諧振頻率處增加噪聲。為抑制傳輸線產生的諧振，導線的兩端或者一端應該靠近匹配狀態(tài)，以便吸收反射。

3-3-4. 駐波

(1) 電壓和電流隨測量點變化

在一定頻率處測量信號線上的噪聲時，如果終端處產生反射，就會觀察到如圖3-3-8所示的駐波。

圖3-3-8 駐波

在這種現(xiàn)象中，您會發(fā)現(xiàn)由于“入射波”（原信號）和反射波之間發(fā)生干擾，不同位置的信號長度會有所不同。這種駐波是傳輸線路復雜狀況的根本原因，這將在后面進行描述。

如圖3-3-9所示，駐波較強處稱為“波腹”，而較弱處稱為“波節(jié)”。

圖3-3-9 電壓駐波和電流駐波

波腹和波節(jié)的位置隨頻率而有所不同。就其本質而言，電壓的波腹位置會成為電流的波節(jié)，而電壓的波節(jié)位置會成為電流的波腹。

(2) 觀察數(shù)字信號中包含的駐波

圖3-3-10到3-3-12提供了觀察如圖3-3-5所示數(shù)字信號波形的駐波的示例。

圖3-3-10 駐波的測量范圍

圖3-3-11 磁場（電流）的測量結果

圖3-3-12 電場（電壓）的測量結果

在此，28cm長的信號線連接至33MHz時鐘脈沖信號，以便觀察信號線周圍的磁場和電場。磁場和電場分別對應電流和電壓。觀察的頻率為490MHz（33MHz時鐘脈沖頻率的第15次諧波），測量間隔為5mm。

在各圖中，(a)的信號線右端有一個50Ω電阻器，以便近似得到阻抗匹配的狀態(tài)，而(b)中有數(shù)字IC輸入終端。

(3) 電流駐波

圖3-3-11給出了磁場的測量結果。

盡管(a)（有阻抗匹配的終端）顯示傳輸線上具有恒定的磁場，(b)卻指出了不同位置處的強磁場（紅色）和弱磁場（藍色）。這就意味著紅色部分具有較大的電流。這被稱為駐波，其中較高反射系數(shù)ρ會導致超大值和超小值之差更大。

(4) 電壓駐波

圖3-3-12給出了電場的測量結果。與電流的情形一樣，(b)中使用數(shù)字IC作為負載，指示了不同位置處的變化。對比圖3-3-11和圖3-3-12會發(fā)現(xiàn)，就產生較強噪聲的位置而言，電壓和電流的情況正好相反（如圖3-3-9所示）。

如果產生了駐波，噪聲電平可能會隨不同位置而變化。因此，不能只通過某個位置測得的單個結果確定噪聲強度。

(5) VSWR

圖3-3-12所示電壓駐波的波腹（超高點）和波節(jié)（較低點）之比率稱為VSWR（電壓駐波比率），它是表示反射程度的指數(shù)。

對于電壓和電流而言，VSWR趨于一致。如果沒有駐波，VSWR為1。反射越強，VSWR的值越大。根據圖中的測量結果，(b)中觀察到了駐波，指示VSWR約為4。

(6) 駐波周期為二分之一波長

駐波的一個周期（波節(jié)到波節(jié)）的長度為頻率的二分之一波長。因為后面將要講述的阻抗變化和傳輸線諧振是以此駐波為基礎的，它們可能在使傳輸線長度為二分之一波長整數(shù)倍的每個頻率處反復出現(xiàn)。

圖3-3-11和圖3-3-12(b)的示例表明駐波的一個周期約為200mm，這說明傳輸線上的一個波長為400mm。在真空條件下測量的490MHz處的波長約為600mm，這表明在該傳輸線上波長縮短至三分之二。這個縮短比率會隨著基板的相對介電常數(shù)而變化，介電常數(shù)越大，波長就會越短（這意味著電波在基板上減緩）。

3-3.噪聲傳導和反射 - 重點內容

√ 根據傳輸理論，電以波的形式進行傳導和反射。

√ 線路特性阻抗和負載阻抗之間的任何偏差都會導致反射。

√ 反射導致線路上產生駐波，進而使阻抗發(fā)生變化或者產生諧振。

√ 在使導線長度為二分之一波長的頻率間隔處，會反復產生諧振。

√ 可采用兩種方法來停止噪聲傳導: 增強反射和內部衰減。

√ 元件特征可通過S參數(shù)表示。

附：第三章參考文獻及下載

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裝の高速?高周波対策，井上博文，日刊工業(yè)新聞社 2009

   
   

5. 數(shù)字IC電源靜噪和去耦應用手冊 (點擊下載PDF: 3.5MB) ，Murata Manufacturing Co., Ltd. Catalog C39C, 2010

   
   

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