同學(xué)們,

《靜噪基礎(chǔ)課程》本期繼續(xù)開(kāi)講！

上一章介紹的是

產(chǎn)生電磁噪聲的機(jī)制

本節(jié)為你詳細(xì)介紹噪聲的傳導(dǎo)和反射

第 3 章
噪 聲 問(wèn) 題 復(fù) 雜 化 的 因 素

第1章 為什么需要EMI靜噪濾波器

第2章 產(chǎn)生電磁噪聲的機(jī)制

第3章 噪聲問(wèn)題復(fù)雜化的因素

3-1.簡(jiǎn)介

3-2.諧振和阻尼

3-3.噪聲的傳導(dǎo)和反射

• 3-3-1. 數(shù)字信號(hào)對(duì)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(dǎo)致的諧振

  
  

• 3-3-7. 數(shù)字信號(hào)的終止

  
  

• 3-3-8. 對(duì)EMC措施的影響

  
  

• 3-3-9. 如何防止噪聲傳導(dǎo)

  
  

• 3-3-10. S參數(shù)

  
  

3-4.源阻抗

3-5.小結(jié)

3-3噪聲傳導(dǎo)和反射

3-3-5. 阻抗因傳輸線路而變化

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(1) 什么讓阻抗出現(xiàn)變化？

從傳輸線的角度而言，信號(hào)線的另一個(gè)重要特性在于通過(guò)信號(hào)線的負(fù)載阻抗與阻抗本身完全不同。

例如，在連接至圖3-3-1所示20cm長(zhǎng)信號(hào)線的數(shù)字IC的輸出終端，阻抗是多少？

圖3-3-13 從數(shù)字電路輸出終端觀察到的阻抗

為找出答案，連接一個(gè)電阻器（10Ω: 紫色，1000Ω: 藍(lán)色）、一個(gè)電容器（5pF: 綠色）和一個(gè)電感器（50nH: 紅色）作為負(fù)載（如圖3-3-13所示），并測(cè)量阻抗。如果數(shù)字IC如圖3-3-1所示連接到終端端口，阻抗可能接近于電容器（5pF）的阻抗。

圖3-3-14指出了計(jì)算模型。(a)表示不考慮信號(hào)線的情形，而(b)顯示通過(guò)傳輸線路測(cè)量的情形。此外，(c)給出了按照第3章的章節(jié)3-2所述以線路模擬單級(jí)LC電路的情形，僅供您參考。

圖3-3-14 計(jì)算模型

???計(jì)算結(jié)果如圖3-3-15所示。情形(a)（未考慮信號(hào)線）指出不考慮電阻器情況下的恒定值。電感器和電容器分別顯示出與頻率成正比/反比的阻抗。

圖3-3-15 阻抗對(duì)比

(2) 阻抗因傳輸線路而振蕩

相反，情形(b)（考慮傳輸線路）在10MHz頻率以上比(a)中的差異大，在100MHz頻率以上表現(xiàn)出復(fù)雜的波動(dòng)情況。仔細(xì)觀察就會(huì)發(fā)現(xiàn)，阻抗似乎以信號(hào)線的特性阻抗（該示例中為123Ω）為中心，在其附近振蕩。

如上所述，縱觀整條傳輸線路，阻抗在高頻范圍內(nèi)似乎存在顯著差異。盡管圖3-3-15僅顯示了阻抗的振幅，但其相位也發(fā)生了變化。因此，根據(jù)不同頻率，電感器可能類(lèi)似于電容器，而電容器可能類(lèi)似于電感器。（在某些情況下，利用這樣的特性，傳輸線路可以用作阻抗變換器或者用于阻抗匹配。）

(3) 入射波和反射波之間的相位差導(dǎo)致阻抗變化

在圖3-3-15(b)的計(jì)算結(jié)果中，連接5pF電容器的情形（綠線）表現(xiàn)出的特征相對(duì)接近使用數(shù)字電路作為負(fù)載的情形。

計(jì)算結(jié)果表明100MHz到200MHz之間存在局部超大阻抗。在200MHz以上頻率范圍內(nèi)，阻抗交替出現(xiàn)局部超高點(diǎn)和局部較低點(diǎn)，呈現(xiàn)出周期變化。阻抗的局部較低點(diǎn)和下一個(gè)局部較低點(diǎn)之間的頻率間隔等于使導(dǎo)線長(zhǎng)度為二分之一波長(zhǎng)的頻率。

如上所述，傳輸線的態(tài)勢(shì)與導(dǎo)線長(zhǎng)度和波長(zhǎng)之間的關(guān)系有著密切的關(guān)聯(lián)。

(4) 注意導(dǎo)致局部超小阻抗的頻率處的噪聲

因?yàn)閷?dǎo)致局部超小阻抗的頻率容許很大的電流，所以需要特別注意EMC措施。脈沖波形可能導(dǎo)致振鈴或者可能發(fā)射很強(qiáng)的噪聲。

3-3-6. 多重反射導(dǎo)致的諧振

(1) 傳輸線路變成諧振器

如果像在數(shù)字信號(hào)中所描述那樣，導(dǎo)線兩端都發(fā)生反射，則會(huì)存在一個(gè)特定頻率，使波形完全符合下一個(gè)周期的信號(hào)（如圖3-3-16所示），同時(shí)反射波在導(dǎo)線來(lái)回一圈。

圖3-3-16 多重反射導(dǎo)致的諧振

在此頻率處，傳輸線路可能作為一種諧振器，并導(dǎo)致非常大的電壓或電流。此時(shí)需要注意，因?yàn)樗赡苁箶?shù)字信號(hào)遭受振鈴或者在特定頻率處導(dǎo)致很強(qiáng)的噪聲。

(2) 通過(guò)駐波觀察諧振

圖3-3-17采用了圖3-3-14(b)中假定的20cm長(zhǎng)信號(hào)線的情形，并疊加了以下幾種情況下各頻率處駐波的計(jì)算結(jié)果: (a)兩端均終端匹配（無(wú)反射波），(b)只有終端發(fā)生反射，(c)兩端均發(fā)生反射（多重反射）。在情形(a)下信號(hào)輸出已經(jīng)調(diào)整至1V(120dBμV)。

圖3-3-17 諧振導(dǎo)致的駐波變化

當(dāng)沒(méi)有發(fā)生任何反射時(shí)，所有頻率范圍內(nèi)和所有位置上的電壓都恒定（120dBμV）。信號(hào)在終端匹配的情況下正確進(jìn)行傳輸。

(3) 只有一端發(fā)生反射時(shí)，會(huì)產(chǎn)生駐波

情形(b)將負(fù)載阻抗設(shè)定為1MΩ（幾乎是開(kāi)放和完全反射）。在這種情況下，可以觀察到駐波，且電壓隨頻率和位置而變化。這種狀態(tài)可以認(rèn)為是接近圖3-3-11和圖3-3-12中測(cè)量的狀態(tài)。如果只有一端發(fā)生反射，無(wú)論反射有多強(qiáng)烈，超大值都不會(huì)超過(guò)原信號(hào)的兩倍（增加6dB）。

(4) 兩端均發(fā)生反射時(shí)，諧振頻率處出現(xiàn)大振蕩

情形(c)在(b)中終端條件的基礎(chǔ)上，使信號(hào)源的輸出阻抗降低至10Ω，從而造成反射。在這種情況下，在某些頻率處（大約為200MHz和650MHz）觀察到了非常強(qiáng)烈的駐波。這些頻率會(huì)造成多重反射，而且在某些情況下，電壓或電流可能達(dá)到原信號(hào)的數(shù)倍，從而成為EMC措施方面的問(wèn)題。

(5) 諧振傳輸線路也作為天線

當(dāng)信號(hào)線如上所述作為諧振器時(shí)，需要特別注意，因?yàn)樾盘?hào)線本身可能成為一種微帶天線并發(fā)射很強(qiáng)的噪聲。諧振頻率可能在使導(dǎo)線長(zhǎng)度為二分之一波長(zhǎng)的頻率間隔處反復(fù)出現(xiàn)（在圖3-3-17的示例中約為400MHz）。小心不要讓數(shù)字信號(hào)的諧波接近這些頻率。

為避免多重反射造成的諧振，需要在兩端或一端進(jìn)行阻抗匹配（如圖3-3-17(a)或(b)所示），以吸收反射。如何終止數(shù)字信號(hào)線將在下一章節(jié)中講述。

除了這樣的信號(hào)電路之外，如果要處理噪聲的傳導(dǎo)路徑（如電源線），通常也可以衰減信號(hào)。在這種情況下，除了終止之外，還可以通過(guò)加劇傳輸線的衰減來(lái)避免諧振。如果要加劇衰減，通常是增加一個(gè)電阻元件。

3-3.噪聲傳導(dǎo)和反射 - 重點(diǎn)內(nèi)容

√ 根據(jù)傳輸理論，電以波的形式進(jìn)行傳導(dǎo)和反射。

√ 線路特性阻抗和負(fù)載阻抗之間的任何偏差都會(huì)導(dǎo)致反射。

√ 反射導(dǎo)致線路上產(chǎn)生駐波，進(jìn)而使阻抗發(fā)生變化或者產(chǎn)生諧振。

√ 在使導(dǎo)線長(zhǎng)度為二分之一波長(zhǎng)的頻率間隔處，會(huì)反復(fù)產(chǎn)生諧振。

√ 可采用兩種方法來(lái)停止噪聲傳導(dǎo): 增強(qiáng)反射和內(nèi)部衰減。

√ 元件特征可通過(guò)S參數(shù)表示。

附：第三章參考文獻(xiàn)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(yīng)用手冊(cè) (點(diǎn)擊下載PDF: 3.5MB) ，Murata Manufacturing Co., Ltd. Catalog C39C, 2010

   
   

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