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噪聲問(wèn)題復(fù)雜化的因素

發(fā)布時(shí)間:2014-07-15 責(zé)任編輯:willwoyo

【導(dǎo)讀】之前介紹了產(chǎn)生電磁噪聲的機(jī)制,并特別詳細(xì)地介紹了數(shù)字電路中產(chǎn)生的噪聲。要應(yīng)對(duì)電子設(shè)備噪聲干擾,不僅需要了解噪聲源,還必須知曉傳輸路徑和天線的特征。本文詳細(xì)介紹了其中的傳輸路徑。

在此之前,已經(jīng)通過(guò)較為簡(jiǎn)單的表述解釋了噪聲的產(chǎn)生(諧波除外)。但是,在解釋噪聲傳輸和發(fā)射的機(jī)制時(shí),會(huì)提及傳輸理論、電磁學(xué)和天線理論中使用的術(shù)語(yǔ)(如圖1所示)。如果不理解這些術(shù)語(yǔ),就無(wú)法處理噪聲問(wèn)題。
因此,本文將(盡量使用較少的公式)解釋這些術(shù)語(yǔ),并介紹關(guān)于噪聲的重要課題,如諧振和阻尼、噪聲傳導(dǎo)和反射以及源阻抗。

將要介紹的內(nèi)容
圖1 將要介紹的內(nèi)容

諧振和阻尼

在產(chǎn)生噪聲或接收到噪聲感應(yīng)時(shí),諧振是一個(gè)重要因素。如果電路中包含意外建立的諧振電路,則會(huì)在諧振頻率處產(chǎn)生非常大的電流或電壓,更易產(chǎn)生噪聲干擾。盡可能消除電路中的諧振是很重要的。如果要抑制諧振,需使用阻尼電阻器。本章節(jié)將介紹諧振和阻尼電阻器。

并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振


(1) LC諧振電路
諧振指的是電路中的感應(yīng)電抗和電容電抗在特定頻率處相互抵消,這個(gè)特定頻率就叫做“諧振頻率”。盡管能產(chǎn)生電抗(阻抗的虛數(shù)分量)的典型元件是電感 器 (線圈) 和電容器,但任何其他元件,甚至連簡(jiǎn)單的導(dǎo)線都可以是產(chǎn)生諧振的要素,因?yàn)樗鼈內(nèi)跃哂蟹浅P〉碾娍?。(盡管除上述元件之外,天線、平行板、傳輸路徑等也可 能導(dǎo)致與EMC相關(guān)的諧振,但此處我們只著重于電感器和電容器產(chǎn)生的LC諧振。)

(2) 諧振電路的阻抗
如圖2所示,諧振電路分兩種: 串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振。根據(jù)圖3中的計(jì)算示例,串聯(lián)諧振使阻抗降至最低值(理論上為零),而并聯(lián)諧振使阻抗升到最高值(理論上為無(wú)窮大)。


串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振
圖2 串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振

諧振電路的阻抗
(該圖表示電抗在數(shù)軸上的大?。?/div>
圖3 諧振電路的阻抗

(3) 電抗抵消為零
如圖4所示,電感器電抗和電容器電抗的量值在諧振頻率處變?yōu)橄嗟?,兩者相互抵消,最終相加之和為零。
圖4解釋了串聯(lián)諧振的情形;如果是并聯(lián)諧振,則將電抗替換為電納(導(dǎo)納的虛數(shù)成分),會(huì)出現(xiàn)電納在諧振頻率處被抵消為零。因此,阻抗升到最高值,這很容易理解。[page]

(4) 諧振頻率
無(wú)論是串聯(lián)諧振還是并聯(lián)諧振,都可以通過(guò)以下公式估算出諧振頻率ƒ0。在圖3的示例中,ƒ0約為50MHz。

(公式1)

(5) 諧振Q
諧振強(qiáng)度可通過(guò)指數(shù)Q(質(zhì)量因子)來(lái)表示。Q越高表示諧振越強(qiáng)。指數(shù)Q也是用作表示電容器和電感器性能的指數(shù)。存在這樣一種關(guān)系: 當(dāng)使用Q值較大的電容器或電感器時(shí),所建立諧振電路的Q值也較大。如何估算Q值將在章節(jié)3-2-5中作解釋。

(6) 電容器和電感器的自諧振
在高頻范圍內(nèi)使用電容器或電感器時(shí),由于其固有的寄生成分,電容器或電感器本身會(huì)在特定頻率處導(dǎo)致諧振。這就叫做自諧振。自諧振將在第6章中進(jìn)一步講述。
串聯(lián)諧振使阻抗降至最低值的機(jī)制
圖4 串聯(lián)諧振使阻抗降至最低值的機(jī)制

[page]關(guān)于諧振電路EMC措施的問(wèn)題

(1) 諧振電路放大電壓
如果電路中存在意外產(chǎn)生的諧振,阻抗會(huì)在諧振頻率處發(fā)生顯著變化,導(dǎo)致較大的電流或電壓,這會(huì)是產(chǎn)生噪聲干擾的一個(gè)原因。
例如,從外側(cè)向圖3(a)中計(jì)算的串聯(lián)諧振電路輸入交流信號(hào)。如圖5所示,當(dāng)使用輸出阻抗為50Ω的信號(hào)發(fā)生器施加電壓恒定(振幅0.5V)的信號(hào)時(shí),電容器會(huì)在50MHz諧振頻率處產(chǎn)生比輸入信號(hào)高數(shù)倍的電壓。在這種情況下,電容器或電感器上產(chǎn)生的電壓達(dá)到輸入電壓與Q的乘積。如何估算Q值將在章節(jié)3-2-5中作解釋。圖5的的情況表明Q = 6.3。

(2) 諧振電路可能意外產(chǎn)生
圖5中的測(cè)試電路包括一個(gè)電容器和一個(gè)電感器,其中使用的常數(shù)為數(shù)字電路中通常會(huì)產(chǎn)生的值。例如,數(shù)字IC的輸入端子具有不同pF的浮動(dòng)靜 電容量。線路的電感約為1uH/米。因此,如果將約1m的電纜連接至數(shù)字IC的輸入端子(將其連接至外部傳感器等),就會(huì)產(chǎn)生此處所示的諧振電路。
如果誤將導(dǎo)體連接至此點(diǎn),就會(huì)成為噪聲發(fā)射的原因之一。
諧振電路的頻率特征示例(計(jì)算值)
圖5 諧振電路的頻率特征示例(計(jì)算值)

(3) 在輸入電壓很小的情況下內(nèi)部電壓升高
如圖3(a)所示,串聯(lián)諧振電路的阻抗在諧振頻率處達(dá)到最低值。因此,您可能簡(jiǎn)單地認(rèn)定電壓降低。但實(shí)際上電壓為什么會(huì)升高呢?
圖6顯示了電壓的分解。諧振電路入口處(電阻器和電感器的中點(diǎn))處的電壓確實(shí)降低到非常小的水平。但是,由于阻抗降低,電流變大了。因此,諧振電路內(nèi)產(chǎn)生了比所施加電壓更高的電壓。
在電容器接收一定電壓時(shí),為什么諧振電路入口處的電壓會(huì)消失?此時(shí),電感器也像電容器一樣,接收了完全相同的電壓。因?yàn)榇穗妷旱姆较蚺c電容器電壓的方向相反,所以在諧振電路入口處幾乎察覺(jué)不到任何電壓。[page]

(4) 諧振電路各點(diǎn)的電壓完全不同
當(dāng)電路發(fā)生諧振時(shí),電路各點(diǎn)的電壓相差很大。即使某點(diǎn)的電壓測(cè)量值似乎表明噪聲有所減弱,但整個(gè)噪聲發(fā)射的測(cè)量值也可能保持不變甚至有所升高。所以需要注意這樣的情況。
上面的例子是關(guān)于串聯(lián)諧振電路的情形。如果是并聯(lián)諧振電路,流經(jīng)電容器和電感器的電流會(huì)比輸入信號(hào)的電流更高。因?yàn)檫@種電流也是產(chǎn)生噪聲的原因之一,所以在并聯(lián)諧振電路的情況下也需要注意。

諧振電路不同位置的電壓(計(jì)算值)
圖6 諧振電路不同位置的電壓(計(jì)算值)

數(shù)字電路連接至諧振電路時(shí)


(1) 在諧振頻率處更容易產(chǎn)生噪聲
如上所述,如果將可以作為天線的導(dǎo)體連接至諧振電路,導(dǎo)體會(huì)接收諧振頻率的高壓,產(chǎn)生很強(qiáng)的發(fā)射,從而導(dǎo)致噪聲。此外,就抗擾度而言,噪聲容易在諧振頻率處被接收。
如果接有天線的諧振電路連接至包含很寬范圍頻率的信號(hào)(如數(shù)字信號(hào)),諧振頻率附近頻率的諧波將具有很強(qiáng)的發(fā)射性。圖7和圖8給出了一些 例子: 在上述50MHz串聯(lián)諧振電路連接至10MHz時(shí)鐘脈沖信號(hào)時(shí),測(cè)量脈沖波形和發(fā)射的變化。作為噪聲抑制的示例,圖中也指出了連接有鐵氧體磁珠時(shí)的波形和 發(fā)射。

(2) 數(shù)字信號(hào)連接至諧振電路時(shí)
圖7提供了測(cè)試電路及電壓波形的測(cè)量結(jié)果。作為噪聲源的數(shù)字IC中使用了74AC00。IC的輸出端連接至諧振頻率為50MHz的串聯(lián)諧振 電路。觀察到的波形表明10MHz數(shù)字脈沖中存在強(qiáng)烈的振鈴,使脈沖波形嚴(yán)重失真。這是因?yàn)?,?0MHz信號(hào)所包含的諧波中,僅提取了第5次諧波 (50MHz)。(觀察到振鈴頻率為50MHz)[page]

(3) 使用鐵氧體磁珠的阻尼
后面將會(huì)介紹阻尼電阻器和鐵氧體磁珠能有效抑制這類諧振。圖7展示了連接有鐵氧體磁珠時(shí)的波形。從圖中可以發(fā)現(xiàn),諧振已經(jīng)得到抑制,信號(hào)也恢復(fù)到原來(lái)的脈沖波形。

(4) 通過(guò)噪聲發(fā)射確認(rèn)諧振
圖8顯示了噪聲發(fā)射的結(jié)果。磁場(chǎng)強(qiáng)度是通過(guò)“3米法”測(cè)量的。為便于參照,圖中也提供了無(wú)天線情況下的測(cè)量結(jié)果,而且已經(jīng)證實(shí)了在僅包括數(shù)字IC和諧振電路時(shí),幾乎沒(méi)有噪聲發(fā)射。圖中下部的曲線表示頻譜分析儀的黑色噪聲電平。

(5) LC諧振和天線諧振
圖8(a)指出了用15cm導(dǎo)線作為天線連接諧振電路來(lái)發(fā)射噪聲的情形。在LC諧振電路的諧振頻率50MHz處觀察到強(qiáng)烈的發(fā)射。除了此頻 率外,還在500MHz處觀察到了噪聲。在該頻率處,作為天線連接的15cm導(dǎo)線作為1/4波長(zhǎng)天線工作。因此,除了圖8(a)中的LC諧振,還 可能觀察到天線的諧振效應(yīng)。天線的諧振將在后續(xù)章節(jié)中進(jìn)行講述。
圖8(b)顯示了連接鐵氧體磁珠時(shí)的測(cè)量結(jié)果。可以發(fā)現(xiàn)噪聲發(fā)射得到了有效抑制。

諧振電路和天線連接至數(shù)字信號(hào)的測(cè)試電路
圖7 諧振電路和天線連接至數(shù)字信號(hào)的測(cè)試電路

諧振電路和天線連接至數(shù)字信號(hào)時(shí)的噪聲發(fā)射
圖8 諧振電路和天線連接至數(shù)字信號(hào)時(shí)的噪聲發(fā)射

[page]無(wú)電感器或電容器的情況下產(chǎn)生諧振的示例

(1) 數(shù)字信號(hào)線建立的諧振電路
為了進(jìn)行測(cè)量并著重考察圖7和圖8中的諧振效應(yīng),試驗(yàn)中使用了電容器和電感器建立LC諧振電路。但是,在實(shí)際電路中,沒(méi)有這些元件也會(huì)產(chǎn)生諧振。
例如,在如圖9所示的數(shù)字信號(hào)線路中,驅(qū)動(dòng)器和接收器之間連接的導(dǎo)線存在電感。此外,接收信號(hào)的接收器的輸入端存在靜電容量。

(2) 隨著諧振頻率降低問(wèn)題變得明顯
當(dāng)數(shù)字信號(hào)線路非常短時(shí),這些因素導(dǎo)致的諧振頻率會(huì)變得非常高(100MHz以上),因此其影響可以忽略。但是,如果使用的是雙面板,或通過(guò)延長(zhǎng)線路增強(qiáng)電感,或通過(guò)連接多個(gè)接收器增加靜電容量,較低諧振頻率產(chǎn)生的影響(脈沖波形失真或噪聲發(fā)射增強(qiáng)等)將不可忽略。
為應(yīng)對(duì)上述情形,可為信號(hào)輸出元件提供連接盤,便于使用諸如鐵氧體磁珠的諧振抑制元件,從而能夠按照章節(jié)7所述輕松實(shí)施噪聲抑制措施。
數(shù)字信號(hào)線路構(gòu)建的諧振電路模型
圖9 數(shù)字信號(hào)線路構(gòu)建的諧振電路模型

(3) 電源電纜和印刷電路板可能是產(chǎn)生諧振的原因
除了數(shù)字信號(hào)外,各種構(gòu)成電路的因素都可作為電路圖中未提及的電容器或電感器運(yùn)作,并導(dǎo)致諧振。所以需要注意這樣的情況。圖10提供了一個(gè)示例。

諧振示例
圖10 諧振示例

[page]電阻器及鐵氧體磁珠的阻尼作用

(1) 串聯(lián)諧振電路的阻尼
可通過(guò)在諧振電路中加入電阻器來(lái)抑制諧振。這種電阻器被稱為阻尼電阻器。圖11提供了增加阻尼電阻器的一個(gè)示例(在圖中表示為R)。
當(dāng)如圖11(a)所示在串聯(lián)諧振中串聯(lián)使用一個(gè)阻尼電阻器時(shí),諧振器的Q可如下推導(dǎo)出來(lái) :

(公式2)
例如,我們可以把圖3-2-4的測(cè)試中使用的部件常量代入公式中。如果電阻器R的信號(hào)源輸出阻抗為50Ω,可以得出Q = 6.3,表示諧振很強(qiáng)烈。如果電阻器R升高,Q會(huì)變小,從而減弱諧振。因此,可以發(fā)現(xiàn),增加一個(gè)超過(guò)50Ω的電阻器可以減弱諧振。
通常而言,為了抑制諧振,會(huì)慎重選擇電阻器,使Q設(shè)定為1或以下。

(2) 串聯(lián)諧振電路的非振蕩條件
為消除來(lái)自脈沖波形(如數(shù)字信號(hào))的正脈沖信號(hào)、負(fù)脈沖信號(hào)或振鈴,使用滿足以下公式的電阻器來(lái)實(shí)現(xiàn)LCR串聯(lián)諧振電路的無(wú)振蕩條件。

(公式3)
公式(2)使Q為0.5或以下。

(3) 并聯(lián)諧振電路的阻尼
相反,當(dāng)如圖11(b)所示在并聯(lián)諧振中并聯(lián)使用一個(gè)阻尼電阻器時(shí),諧振器的Q可如下推導(dǎo)出來(lái):

(公式4)
在這種情況下,電阻越小,諧振越弱。

電阻器阻尼作用的示例
圖11 電阻器阻尼作用的示例

[page]數(shù)字信號(hào)的阻尼

(1) 阻尼電阻器和阻抗匹配電阻器
在利用阻尼電阻器防止如圖9所示數(shù)字電路線路導(dǎo)致的諧振時(shí),通常如圖12所示將其與線路串聯(lián)使用。在此期間,電阻越大,諧振抑制效 果越好。但是,如果阻尼過(guò)大,會(huì)產(chǎn)生副作用,如信號(hào)衰減和脈沖波形緩慢上升。因此,應(yīng)根據(jù)噪聲抑制與電路運(yùn)作之間的平衡選擇合適的電阻器。如果線路可以視 作傳輸線,可利用下一章節(jié)中講述的阻抗匹配方法,以更為簡(jiǎn)便的方式完成這個(gè)操作。

(2) 鐵氧體磁珠的阻尼作用
如圖7和圖8中的示例,鐵氧體磁珠通常用于EMC對(duì)策中的阻尼。此時(shí),應(yīng)選擇這個(gè)元件,使鐵氧體磁珠的電阻(R)成分在諧振頻率處滿足公式(2)。由于鐵氧體磁珠的阻抗具有頻率特征,諧振可以得到抑制,同時(shí)還會(huì)最小化對(duì)信號(hào)波形的影響。此外,相比電阻器而言,鐵氧體磁珠可吸收更大的直流電流。

數(shù)字信號(hào)阻尼
圖12 數(shù)字信號(hào)阻尼

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