同學們,

《靜噪基礎課程》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

3-3噪聲傳導和反射

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，信號線的另一個重要特性在于通過信號線的負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長信號線的數(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，連接一個電阻器（10Ω: 紫色，1000Ω: 藍色）、一個電容器（5pF: 綠色）和一個電感器（50nH: 紅色）作為負載（如圖3-3-13所示），并測量阻抗。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指出了計算模型。(a)表示不考慮信號線的情形，而(b)顯示通過傳輸線路測量的情形。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LC電路的情形，僅供您參考。

圖3-3-14 計算模型

???計算結果如圖3-3-15所示。情形(a)（未考慮信號線）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)出復雜的波動情況。仔細觀察就會發(fā)現(xiàn)，阻抗似乎以信號線的特性阻抗（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，電感器可能類似于電容器，而電容器可能類似于電感器。（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致阻抗變化

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

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

如上所述，傳輸線的態(tài)勢與導線長度和波長之間的關系有著密切的關聯(lián)。

(4) 注意導致局部超小阻抗的頻率處的噪聲

因為導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。脈沖波形可能導致振鈴或者可能發(fā)射很強的噪聲。

3-3-6. 多重反射導致的諧振

(1) 傳輸線路變成諧振器

如果像在數(shù)字信號中所描述那樣，導線兩端都發(fā)生反射，則會存在一個特定頻率，使波形完全符合下一個周期的信號（如圖3-3-16所示），同時反射波在導線來回一圈。

圖3-3-16 多重反射導致的諧振

在此頻率處，傳輸線路可能作為一種諧振器，并導致非常大的電壓或電流。此時需要注意，因為它可能使數(shù)字信號遭受振鈴或者在特定頻率處導致很強的噪聲。

(2) 通過駐波觀察諧振

圖3-3-17采用了圖3-3-14(b)中假定的20cm長信號線的情形，并疊加了以下幾種情況下各頻率處駐波的計算結果: (a)兩端均終端匹配（無反射波），(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)下信號輸出已經(jīng)調整至1V(120dBμV)。

圖3-3-17 諧振導致的駐波變化

當沒有發(fā)生任何反射時，所有頻率范圍內和所有位置上的電壓都恒定（120dBμV）。信號在終端匹配的情況下正確進行傳輸。

(3) 只有一端發(fā)生反射時，會產(chǎn)生駐波

情形(b)將負載阻抗設定為1MΩ（幾乎是開放和完全反射）。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)可以認為是接近圖3-3-11和圖3-3-12中測量的狀態(tài)。如果只有一端發(fā)生反射，無論反射有多強烈，超大值都不會超過原信號的兩倍（增加6dB）。

(4) 兩端均發(fā)生反射時，諧振頻率處出現(xiàn)大振蕩

情形(c)在(b)中終端條件的基礎上，使信號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）觀察到了非常強烈的駐波。這些頻率會造成多重反射，而且在某些情況下，電壓或電流可能達到原信號的數(shù)倍，從而成為EMC措施方面的問題。

(5) 諧振傳輸線路也作為天線

當信號線如上所述作為諧振器時，需要特別注意，因為信號線本身可能成為一種微帶天線并發(fā)射很強的噪聲。諧振頻率可能在使導線長度為二分之一波長的頻率間隔處反復出現(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)字信號線將在下一章節(jié)中講述。

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

3-3.噪聲傳導和反射 - 重點內容

√ 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小課堂喲~

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