【導(dǎo)讀】如導(dǎo)體傳導(dǎo)和共模第一講所述，當(dāng)噪聲通過(guò)電纜傳輸時(shí)，成分中有普通模式和共模。同時(shí)也表明，噪聲電壓的產(chǎn)生以及電子設(shè)備接地中噪聲電流的流動(dòng)被稱為共模噪聲。
需要考慮的接地結(jié)構(gòu)
(1) 共模噪聲少的接地
若要降低因電流驅(qū)動(dòng)模型導(dǎo)致的共模噪聲，降低接地阻抗是很重要的，這樣信號(hào)返回電流才能順暢流動(dòng)。需要特別注意有返回電流流經(jīng)包含高頻成分的信號(hào)（如時(shí)鐘信號(hào)）的接地。本章節(jié)概述了會(huì)造成很多問(wèn)題的一些接地結(jié)構(gòu)示例 [參考文獻(xiàn) 7]。
圖12(a)是低噪聲理想接地的示例。如圖所示在信號(hào)線下方搭建一個(gè)接地層允許信號(hào)返回電流在信號(hào)線下方返回，這樣能減少共模噪聲。接地層覆蓋整個(gè)IC，而不僅僅是信號(hào)線。
請(qǐng)注意圖中展示了接地層，但是在多層基板中，電源層和接地層以相同方式工作。在下面容易產(chǎn)生噪聲的例子中，也必須注意避免電源層采用此結(jié)構(gòu)。
(2) 容易產(chǎn)生共模噪聲的接地示例
圖12(b)到(d)為容易產(chǎn)生噪聲的接地結(jié)構(gòu)示例。必須注意避免使用這樣的結(jié)構(gòu)。
圖12(b)是接地線而不是接地層的情況。這種形態(tài)常見(jiàn)于非多層基板結(jié)構(gòu)中，但是會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的共模噪聲，如圖4的測(cè)試結(jié)果所示。
(3) 接地層有狹縫時(shí)
圖12(c)為接地層上有狹縫凹口時(shí)的情形。如果所圖所示多個(gè)狹縫在信號(hào)線下面重疊，將妨礙信號(hào)的返回電流，間隙的兩端都會(huì)產(chǎn)生電壓。盡管 乍看之下好像有接地層，但這種結(jié)構(gòu)忽略了接地層的作用。如果狹縫在信號(hào)線側(cè)相互連接，如圖13(a)所示，可以減少產(chǎn)生的噪聲。
在這種結(jié)構(gòu)下，當(dāng)有著較多噪聲的接地被分隔開(kāi)時(shí)，或者在電源層次上搭建了多個(gè)電源層時(shí)，就容易產(chǎn)生噪聲。布置具有較多噪聲的信號(hào)線（如時(shí)鐘信號(hào)），確保狹縫不會(huì)重疊。[page]
(4) 穿過(guò)多個(gè)接地層時(shí)
圖12(d)展示了信號(hào)線通孔穿過(guò)多層的狀態(tài)。信號(hào)返回電流經(jīng)過(guò)離信號(hào)線最近的層面，但是如果有多層，返回電流可能無(wú)法順暢流動(dòng)。圖中顯示信號(hào)線穿過(guò)接地和電源層時(shí)的狀態(tài)，但是在穿過(guò)兩個(gè)接地層時(shí)情況也相同。
當(dāng)信號(hào)穿過(guò)多層基板正反面時(shí)，結(jié)構(gòu)如圖所示。若要抑制產(chǎn)生的噪聲，兩層（當(dāng)如圖所示其中一層為電源層時(shí)，有一個(gè)去耦電容器）之間必須在靠近信號(hào)通孔的地方相互連接，如圖13(b)所示。
圖12 具有很多噪聲的接地結(jié)構(gòu)示例
圖13 改進(jìn)的接地結(jié)構(gòu)示例
[page]當(dāng)線路突出屏蔽時(shí)
(1) 當(dāng)中心導(dǎo)體突出同軸電纜時(shí)
通過(guò)擴(kuò)展電壓驅(qū)動(dòng)模型，如果電壓施加到兩個(gè)長(zhǎng)度不同的導(dǎo)體，始終會(huì)產(chǎn)生共模電流。
例如，即使是使用被視為理想傳輸線的同軸電纜，如果線芯如圖14一樣突出，外側(cè)導(dǎo)體會(huì)感應(yīng)到共模電流，整個(gè)電纜會(huì)作為天線發(fā)射噪聲。這也可被視為一種電壓驅(qū)動(dòng)模型。
圖15給出了將20厘米同軸電纜連接到20MHz時(shí)鐘信號(hào)及在中心導(dǎo)體端部外露3厘米時(shí)測(cè)量噪聲的測(cè)試結(jié)果。這表明即使只外露了3厘米，也發(fā)出了很強(qiáng)的噪聲。
圖14 當(dāng)同軸電纜端部外露時(shí)的共模電流流動(dòng)
圖15 當(dāng)中心導(dǎo)體外突3厘米時(shí)噪聲發(fā)射的變化
(2) 整個(gè)屏蔽變成噪聲的天線
圖15(b)表明噪聲發(fā)射的峰值出現(xiàn)在100到500MHz的較低頻率范圍內(nèi)。中心導(dǎo)體外露長(zhǎng)度為3厘米，λ/4處的頻率為2.5GHz，因此表明這部分很難成為單極天線。
可以認(rèn)為500MHz或更低頻率主要是從更大尺寸的同軸電纜所發(fā)射的。如果認(rèn)為同軸電纜中感應(yīng)到了共模電流，如圖14所示，就更容易理解同軸電纜成為天線的機(jī)制。
即使如章節(jié)4-3-16中圖4-3-27所示短電纜從屏蔽罩突出，也可以將其視為與圖14中的結(jié)構(gòu)一樣進(jìn)行說(shuō)明。但是，章節(jié)4-3-16中圖4-3-27的示例又有所不同，因?yàn)楣材ｋ娏靼ㄔ谄帘握种卸皇菆D14的外側(cè)導(dǎo)體中。[page]
(3) 即使是小孔也會(huì)破壞屏蔽
本測(cè)試模擬了線路進(jìn)出電子設(shè)備的屏蔽罩時(shí)的狀態(tài)。如果線路如圖16(a)所示進(jìn)出屏蔽，即使線路只有幾厘米長(zhǎng)，也會(huì)導(dǎo)致屏蔽感應(yīng)到共模噪聲。在這種布局下，穿過(guò)線路的孔只有幾毫米，屏蔽可能被破壞了。
為防止屏蔽罩感應(yīng)到共模噪聲，如圖16(b)所示在線路經(jīng)過(guò)屏蔽的地方安裝一個(gè)EMI靜噪濾波器，阻止噪聲進(jìn)出。
圖16 因線路經(jīng)過(guò)屏蔽被破壞
公共阻抗噪聲
(1) 公共阻抗導(dǎo)致的電路干擾
電路中多個(gè)電路共用電源和接地。盡管理想情況下電源和接地線路為零阻抗，事實(shí)上它們?nèi)杂兄浅Ｐ〉淖杩埂９沧杩乖肼?[參考文獻(xiàn) 2] 是指共用區(qū)域內(nèi)的阻抗導(dǎo)致電路的部分電流影響其他電路的情況。公共阻抗噪聲也是一種共模噪聲模型。這與上述電流驅(qū)動(dòng)模型不同，因?yàn)槠渲杏卸鄠€(gè)電路，考慮的不是電感而是阻抗，且包含除了接地之外的其它線路。
例如，在圖17中，從圖中左側(cè)供應(yīng)電源以運(yùn)行電路1和電路2。電路1和電路2共用電源與接地，且有著公共的阻抗Zp和Zg。
當(dāng)較大電流流經(jīng)電路1時(shí)，由于公共阻抗導(dǎo)致的電壓下降，電源和接地電壓發(fā)生改變。因此電路2接地和連接到此接地的電纜會(huì)產(chǎn)生共模噪聲。
在圖中，電路1被定義為噪聲源，但即使電路2正在運(yùn)行，也會(huì)在相同的效應(yīng)下產(chǎn)生公共阻抗噪聲。在這種情況下，噪聲從電路2傳輸?shù)诫娐?。
圖17 公共阻抗噪聲
(2) 減少公共阻抗噪聲
如圖18所示，有多種方法可通過(guò)公共阻抗減少噪聲，包括:
(a)使用較粗的線，以減少共用區(qū)域內(nèi)的阻抗
(b)各電路使用獨(dú)立的電源和接地線路，以消除共用區(qū)域
(c)使用去耦電容器限制電路1電流
(a)與章節(jié)2所述的電流驅(qū)動(dòng)模型具有相同的噪聲抑制效果。
(3) 各電路使用獨(dú)立的電源和接地線路
(b)方法使用電源點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，且各電路連接獨(dú)立的接地和電源線路。其中沒(méi)有共用線路，消除了公共阻抗噪聲。
例如，當(dāng)需要控制較大電流的電路（如電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路）與在較弱信號(hào)上運(yùn)行的電路結(jié)合時(shí)，就需要使用獨(dú)立的電源和接地。[page]
(4) 單點(diǎn)接地
在方法(b)中，接地線從基準(zhǔn)點(diǎn)連接到各終端電路，被稱為單點(diǎn)接地（更準(zhǔn)確地說(shuō)，這是因?yàn)椴⒙?lián)連接形成的單點(diǎn)接地）。這個(gè)設(shè)計(jì)原則用于具有相對(duì)較低頻率的模擬電路。
除了上述的減少共模阻抗噪聲之外，單點(diǎn)接地也可防止因終端電勢(shì)差異導(dǎo)致的不正確運(yùn)行。有關(guān)單點(diǎn)接地的詳細(xì)信息，請(qǐng)參考技術(shù)資料 [參考文獻(xiàn) 3,8,9]。
單點(diǎn)接地需要大量線路，這就意味著在制作如圖18(b)所示的PCB時(shí)，由于空間的限制，線路寬度要減小。這會(huì)導(dǎo)致高頻范圍內(nèi)阻抗增加。另外，在 電路間傳輸信號(hào)時(shí)（例如從電路1傳輸?shù)诫娐?），接地的設(shè)計(jì)，即信號(hào)返回路徑會(huì)很困難。為此，該方法并不常用于數(shù)字電路。
(5) 去耦電容器
圖18(c)展示了針對(duì)電源使用去耦電容器的方法。通過(guò)限制電路1和去耦電容器之間的高頻范圍電流，可以防止對(duì)電路2的干擾。
在電容器運(yùn)行的高頻范圍內(nèi)，去耦電容器是一種有效的方法。若要提高有效頻率的下限，就需要增加電容器的靜電容量。
為減少數(shù)字電路中的共模阻抗噪聲，一般在通過(guò)增粗線路來(lái)降低接地阻抗后，使用一個(gè)去耦電容器，如圖18(a)所示。
圖18 減少公共阻抗噪聲
連接具有不同平衡水平的傳輸線
(1) 平衡電路和不平衡電路
到現(xiàn)在為止，接地主要被描述為電壓基準(zhǔn)點(diǎn)，但是在數(shù)字電路等不平衡電路中，接地也會(huì)作為信號(hào)電流的返回路徑。
一般而言，傳輸信號(hào)的傳輸線包括平衡電路和不平衡電路。這兩種電路的區(qū)別在于相對(duì)于接地分配電壓的方式，如圖19所示。
圖19展示了當(dāng)線路電壓為1V時(shí)接地電壓的分配方式。在(a)平衡電路中，每條線路的電壓為0.5V，但符號(hào)相反。相反，在(b)不平衡電路中， 外側(cè)導(dǎo)體電壓為0V，而中心導(dǎo)體的電壓為1V。如圖所示，不平衡電路的特征在于總電壓集中于中心導(dǎo)體，但外側(cè)導(dǎo)體電壓為0V。
圖19 平衡電路和不平衡電路
[page](2) 連接具有不同平衡水平的電路
如圖20所示直接連接兩個(gè)電路，將平衡電路的一條線路連接到不平衡電路的接地，這意味著施加了一半的信號(hào)電壓。接地中產(chǎn)生了電壓并被轉(zhuǎn)換為共模噪聲 [參考文獻(xiàn) 5]。此時(shí)，電路觸點(diǎn)從普通模式轉(zhuǎn)換為共模，反之亦然。這就是模式轉(zhuǎn)換 [參考文獻(xiàn) 1]。
圖21給出了三種情況下噪聲發(fā)射的測(cè)量結(jié)果: 當(dāng)20MHz時(shí)鐘信號(hào)(a)連接到同軸電纜，(b)連接到平衡電纜和(c)在中間從同軸電纜變換為平衡電纜時(shí)。在各種情況下，電纜的長(zhǎng)度均為50厘米。如 圖所示，如果中間不變換電纜，噪聲發(fā)射的電平很低; 但如果變換了電纜，噪聲發(fā)射顯著增加。這是因?yàn)殡娎|觸點(diǎn)處的平衡發(fā)生了變化，這種情況會(huì)引起共模噪聲。
請(qǐng)注意，圖21中噪聲電平高于其它測(cè)試數(shù)據(jù)，因此縱軸也相應(yīng)地改變了。
圖20 連接具有不同平衡水平的線路
圖21 連接平衡電路和不平衡電路時(shí)的噪聲發(fā)射示例
(3) 平衡-不平衡轉(zhuǎn)化電路
這樣連接平衡電路和不平衡電路時(shí)，通常使用一個(gè)被稱為平衡-不平衡轉(zhuǎn)化電路的不平衡變壓器來(lái)防止模式轉(zhuǎn)換 [參考文獻(xiàn) 5]。圖22給出了一個(gè)轉(zhuǎn)化電路的示例。共模扼流線圈也可以大體上被視為平衡-不平衡轉(zhuǎn)化電路。也常使用電阻網(wǎng)絡(luò)或特定類型的諧振器。[page]
根據(jù)圖21(c)所示的測(cè)試，圖23給出了在電纜連接點(diǎn)使用共模扼流線圈的示例。通過(guò)使用共模扼流線圈，將噪聲發(fā)射抑制到約10到20dB的水平，以防止轉(zhuǎn)換為共模。
圖22 平衡-不平衡轉(zhuǎn)化電路的示例
圖23 使用共模扼流線圈抑制噪聲的示例
[page]意外的平衡-不平衡連接
(1) 意外的連接導(dǎo)致模式轉(zhuǎn)換
當(dāng)連接信號(hào)或已經(jīng)合理設(shè)計(jì)平衡的電纜（如同軸電纜或LAN電纜）時(shí)，將它們連接在一起很正常，這樣才不會(huì)破壞平衡。但是，一般電路的結(jié)構(gòu)不會(huì)考慮平衡，而且很多連接中可能會(huì)意外發(fā)生模式轉(zhuǎn)換，如圖20(a)所示。圖24給出了常發(fā)生這種情況的一個(gè)示例。
(2) 扁平電纜或柔性板
如圖24所示帶接地層的印刷電路板或數(shù)字電路可以被視為相對(duì)而言完全不平衡的電路。將扁平電纜或柔性板連接到這樣的電路時(shí)，如果電纜側(cè)有最小接地的結(jié)構(gòu)，可能就不會(huì)完全不平衡。
在這種情況下，流經(jīng)電纜的部分普通模式信號(hào)會(huì)轉(zhuǎn)換為共模，出現(xiàn)在電纜或電路板接地上并發(fā)射噪聲。
(3) 電源電纜或音頻電纜
在電源電纜、音頻電纜和其它類似電纜中，電源線和接地線的數(shù)量基本相同。在結(jié)構(gòu)上而言，這可以被視為平衡電路。當(dāng)如圖24所示連接到不平衡印刷電路板時(shí)，連接區(qū)域可能會(huì)發(fā)生模式轉(zhuǎn)換。
一般而言，只有直流電流或低頻會(huì)流經(jīng)這些電纜，因此即使真的發(fā)生模式轉(zhuǎn)換，也不會(huì)有什么問(wèn)題。但是，當(dāng)高頻范圍噪聲流經(jīng)這些電纜時(shí)，可能會(huì)因模式轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生共模噪聲。例如，電源電纜發(fā)射開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)噪聲。
在連接了類似這些平衡電路的電纜區(qū)域，安裝一個(gè)適用于共模和普通模式的濾波器，無(wú)論是否發(fā)生模式轉(zhuǎn)換，都可以消除噪聲。
圖24 意外的平衡‐不平衡連接的示例
[page](4) 連接具有不同接地寬度的MSL
通過(guò)圖24中的扁平電纜或柔性板，無(wú)法建立足夠大的接地，導(dǎo)致既不是平衡也不是非平衡的劣質(zhì)傳輸線。印刷電路板也會(huì)遇到這種現(xiàn)象。
例如，如果使用MSL作為信號(hào)線，信號(hào)線下面的接地寬度較小，則不會(huì)形成像同軸電纜一樣完全不平衡的電路傳輸線。如果普通模式電流流經(jīng)這樣的線路，接地的電壓非常小。
當(dāng)如圖25所示連接具有不同接地寬度的MSL時(shí)，左側(cè)和右側(cè)MSL接地的電壓不同，會(huì)在接地之間產(chǎn)生電壓。
若要抑制共模噪聲，必須限制接地寬度，確保左側(cè)和右側(cè)MSL的接地寬度不會(huì)改變。或者，使用EMI靜噪濾波器提前消除流經(jīng)信號(hào)線的噪聲。
可通過(guò)電流分配系數(shù)概念解釋限制接地寬度隱含的理論。
圖25 連接具有不同接地寬度的MSL
