同學們,

《靜噪基礎(chǔ)課程》本期繼續(xù)開講！

上一章介紹的是

產(chǎn)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(chǎn)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(jié)

3-3噪聲傳導和反射

噪聲傳導藉由導體傳導性和空間傳導性產(chǎn)生。在解釋導體傳導性的本質(zhì)時，可能會運用傳輸理論概念。

為便于理解以下內(nèi)容，我們將用一種簡化的方法解釋EMC中用到的傳輸理論概念。有關(guān)詳細和具體闡釋，請參閱技術(shù)資料[參考文獻 2,3,4]。

在傳輸理論中，導體被視為傳輸線路，電能在傳輸線上以波的形式傳導，并在末端發(fā)生反射。無論傳導的能量是信號還是噪聲，都同樣是以波的形式傳導的。

因此，本章節(jié)首先針對信號先解釋了傳輸理論的概念，進而講述噪聲的傳導。

3-3-1. 數(shù)字信號對脈沖波形的影響

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(1) 反射導致諧振

當數(shù)字信號與10cm或更長的導線相連時，可能導致如圖3-3-1所示的振鈴現(xiàn)象。

圖3-3-1 數(shù)字信號中振鈴的示例

如上一章節(jié)所述，由于線路中存在電感和靜電容量，這可以解釋為諧振。但是，根據(jù)傳輸理論，由于導線兩端信號波發(fā)生如圖3-3-2所示的反射，也可以認為導線本身作為一種諧振器，讓特定頻率成分變得非常明顯。

這樣一來，傳輸理論就從電波傳導和反射的角度解釋了這種現(xiàn)象。

圖3-3-2 數(shù)字信號中產(chǎn)生振鈴的機制

運用傳輸理論可以預測，在振鈴的振蕩頻率處以及更高頻率范圍內(nèi)會出現(xiàn)頻譜（圖中460MHz和860MHz）增加的現(xiàn)象（如圖3-3-1(c)所示）。

(2) 反射會干擾信號波形的傳輸

如果發(fā)生反射或諧振，脈沖波形無法正確傳輸。為正確傳輸信號波形，需要抑制導線兩端的反射。利用傳輸理論，可以提出一種抑制反射的設(shè)計，并預測反射導致的波形變化。

3-3-2. 特性阻抗和反射

(1) 阻抗匹配

為抑制導線兩端的反射，需要執(zhí)行“阻抗匹配”?！捌ヅ洹币辉~指的是匹配導線的“特性阻抗”與連接至導線端的電路的“阻抗”。

(2) 特性阻抗

如圖3-3-3中信號線路所示傳導電波的導體被稱為信號線路。

圖3-3-3 信號線的分布式恒定線路模型

通過傳輸線路傳輸電時，電力和電流之間的比率恒定。這一比率就稱為特性阻抗。特性阻抗由每單位導線長度的電感和靜電容量決定（如圖3-3-3所示），是無損傳輸線路的純電阻。

大家提到同軸電纜時說50Ω或75Ω，就是指的特性阻抗。

如果本課程中沒有另作規(guī)定，我們則認為傳輸線路處于理想狀態(tài)而且沒有任何電阻損耗，以便簡化理論和表述。這也適用于后面的章節(jié)。（如果存在損耗，特性阻抗就不是純電阻，會使整個概念更加復雜。）

(3) 負載、終端、終端匹配

如圖3-3-4(b)所示，當連接至導線端（以下稱為終端）的電路阻抗（以下稱為負載）與特性阻抗相等時，全部電能將被傳輸?shù)截撦d，而不會發(fā)生任何反射。信號波形也被正確傳輸。在這種情況下，可以說此導線的終端是終端匹配的。

圖3-3-4 信號反射和匹配

(4) 匹配能傳輸全部能量

如果導線端連接至另一個電路而不是負載，則電路的輸入阻抗會被視為負載阻抗，以考慮阻抗匹配。當電路的輸入阻抗與傳輸線的特性阻抗相同時，可以傳輸全部能量。在這種情況下，可以說這兩個電路相互匹配。

在噪聲抑制中，能量傳輸并不總是好事。在噪聲傳輸路徑與噪聲源或天線相互連接之處，形成較差的阻抗匹配更有利，這樣才不會傳輸噪聲能量。

(5) 反射波

如果負載阻抗不同于特性阻抗，信號能量會被部分反射，并通過傳輸線路逆流，如圖3-3-4(c)所示。

這種波被稱為“反射波”，反射的大小以“反射系數(shù)”表示。如果發(fā)生反射，則會在終端處觀察到加入了輸入波和反射波的波形。

(6) 數(shù)字信號中包含的反射波

圖3-3-5提供了數(shù)字信號與傳輸線路和負載相連時所產(chǎn)生波形的一個示例。

如圖3-3-5(a)所示，一根28cm長的導線（特性阻抗為50Ω）傳輸33MHz時鐘脈沖發(fā)生器信號。

圖3-3-5 發(fā)生反射時數(shù)字信號波形的示例

圖3-3-5(b)給出了所連接負載具有與導線特性阻抗相同阻抗時的情形。脈沖波形被正確傳輸。（因為時鐘脈沖發(fā)生器的輸出電阻大，上升時間約為2ns。）

(7) 通過增加行波和反射波形成數(shù)字信號

圖3-3-5(c)給出了連接數(shù)字IC時的情形。信號振幅增加，同時可以觀察到一些過沖和下沖。觀察到的波形是由終端處產(chǎn)生的反射波和原信號右向行波相重疊產(chǎn)生的。這就意味著終端處產(chǎn)生了具有與原信號相同跡象的反射波（圖3-3-4(c)），因此信號振幅看起來比原信號更大（圖3-3-5(b)）。

與此相反，還存在另一種情形: 反射波的跡象與原信號相對，使信號振幅比原信號小。

表示反射波的這種跡象（更準確的說是相位）和大小的系數(shù)是反射系數(shù)。

(8) 反射系數(shù)是矢量

反射系數(shù)Γ是一個矢量，其大小為ρ，相位角度為Φ，可在復雜平面上標繪在半徑為1的圓內(nèi)（如圖3-3-4(c)）。因此，ρ的取值范圍為0到1。

ρ=1表示全反射，而ρ=0表示無反射。通常而言，該值隨頻率而變化。

隨著特性阻抗和負載阻抗之差變大，反射會越來越強，因此，ρ值增加（更接近圓的邊緣）。如果是完全反射，ρ等于1，標注在圓周上。

(9) 反射系數(shù)位于圓心意味著“匹配中”

在未發(fā)生反射時（匹配中時），反射系數(shù)被標繪在圓心處。按照前述方法通過圓內(nèi)的位置來表示反射系數(shù)，會有助于從直觀上理解反射的狀態(tài)。史密斯圓圖就采用了這種方法。

另一方面，也可以根據(jù)特征阻抗和反射系數(shù)計算負載阻抗。

?反射系數(shù)的概念也會用于后面講述的S參數(shù)。S參數(shù)是非常重要的概念，因為它們廣泛用于高頻波（并不局限于噪聲）的電子測量。

3-3.噪聲傳導和反射 - 重點內(nèi)容

√ 根據(jù)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(chǎn)生駐波，進而使阻抗發(fā)生變化或者產(chǎn)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(chǎn)生諧振。

√ 可采用兩種方法來停止噪聲傳導: 增強反射和內(nèi)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

   
   

下課！

下節(jié)課，記得相約在靜噪基礎(chǔ)小課堂喲~

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