面向電路的噪聲耦合抑制技術(shù)

本文要點(diǎn)

電子產(chǎn)品中有許多噪聲源，可能出現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)部和外部。

噪聲耦合抑制技術(shù)在電路設(shè)計層面和物理布線中實(shí)施，以抑制特定的噪聲源。

可以通過布線前和布線后仿真來評估噪聲耦合抑制技術(shù)的有效性。

任何在示波器上仔細(xì)觀察過低電平信號讀數(shù)的人都會熟悉電子電路中可能出現(xiàn)的噪聲。出現(xiàn)的各種固有的噪聲源在低信號電平下十分明顯。在其他以典型邏輯電平運(yùn)行的系統(tǒng)中，由于電磁干擾和電路之間的耦合，會產(chǎn)生外在噪聲。這些噪聲源都需要一個特定的電路或策略來降低耦合強(qiáng)度或減少噪聲，或兩者兼而有之。

噪聲耦合抑制技術(shù)涉及設(shè)計特定電路、使用特定的器件，或在物理布線中放置一些結(jié)構(gòu)來抑制特定的噪聲源。對于 PCB 設(shè)計師來說，修改物理布線以盡量抑制各種噪聲源非常簡單。本文將介紹可以使用哪些工具來抑制系統(tǒng)中不同類型的噪聲。

將噪聲耦合抑制技術(shù)與噪聲源相匹配

噪聲通常是指出現(xiàn)在互連或電路中的任何不需要的信號，并且可以有多個來源。有時，除非掌握必要的信息，否則很難為特定的噪聲確定具體的來源。當(dāng)在電路或互連中檢測到噪聲時，最好了解是哪種耦合機(jī)制帶來了不必要的噪聲。

所有的電子噪聲最后都會導(dǎo)致在接收器上讀到不需要的信號，這意味著某種機(jī)制在受干擾電路或互連中誘發(fā)了一些電壓/電流。噪聲通過三種可能的機(jī)制耦合：

傳導(dǎo)：由于噪聲源和受干擾電路之間的直接接觸，在一個電路中產(chǎn)生的任何噪聲電流都可以傳導(dǎo)到另一個電路。

電場耦合：一般是指由于電場的存在而在電介質(zhì)中感應(yīng)出位移電流。在電路模型方面，電場耦合指的是通過寄生電容耦合。

磁場耦合：變化的磁場可以通過法拉第定律在導(dǎo)體中誘發(fā)電流，而不需要噪聲源和受干擾電路之間有直接接觸。

第一種被稱為傳導(dǎo)型 EMI，它依賴于噪聲源和受干擾互連/電路之間的直接接觸。后兩種會將輻射型 EMI耦合到電路中，這是指沒有傳導(dǎo)到受干擾電路或互連的噪聲。

由于輻射型 EMI 可以誘發(fā)電流和電壓，一開始的輻射型 EMI 可以作為傳導(dǎo)型 EMI 被接收。這意味著有兩種方法來消除電子電路中的噪聲：

防止輻射型 EMI以電容和電感方式誘發(fā)電路中的噪聲。

抑制任何傳導(dǎo)型 EMI，不管它是如何在電路中產(chǎn)生的。

接下來了解一下可以抑制電子系統(tǒng)中這兩種類型噪聲的布線策略。

濾波電路

濾波電路是消除傳導(dǎo)型 EMI 的經(jīng)典方法，因為濾波器直接作用于電路中的電壓/電流。濾波器可以是寬帶的，如低/高通濾波器，或極窄帶的，如陷波濾波器。EMI 濾波器可以是單一器件，如共模扼流圈，或是涉及多個器件的復(fù)雜電路。這些電路可以針對單一頻率或較寬的頻率范圍來使用。

濾波電路可以消除源自輻射型 EMI 的傳導(dǎo)型 EMI。通過這種方式，濾波電路抑制了來自電路 1 和電路 2 的任何噪聲耦合。

印刷屏蔽結(jié)構(gòu)

這個方法聽起來略顯陌生，但它通常是指 PCB 上任何可以對輻射型 EMI 提供屏蔽的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)的目的是改變 PCB layout 中的寄生效應(yīng)，從而阻斷電磁感應(yīng)的電流。這種結(jié)構(gòu)的例子包括：

電子帶隙結(jié)構(gòu)

表層覆銅接地

額外的平面層

沿著波導(dǎo)或天線饋線等重要互連的過孔柵欄

重新設(shè)計互連結(jié)構(gòu)

這種方法的目標(biāo)是抑制導(dǎo)致磁耦合或電耦合的寄生效應(yīng)。要成功做到這一點(diǎn)，需要從物理布線中提取寄生電容和電感的模型。互連阻抗取決于自電感和自電容的值，而寄生效應(yīng)總是會導(dǎo)致互連阻抗與期望值有所偏差。一些額外的印刷結(jié)構(gòu)或重新設(shè)計互連的幾何形狀有助于減少寄生效應(yīng)，并減少通過輻射型 EMI 耦合到互連的任何噪聲的強(qiáng)度。

總結(jié)

綜上所述，沒有哪種特定的技術(shù)可以抑制所有形式的噪聲耦合。在系統(tǒng)中使用哪種具體的噪聲耦合抑制技術(shù)，取決于所涉及的特定噪聲源和電路間耦合的功率。我們通過下列表格對上文討論的噪聲源和抑制方法進(jìn)行了簡要總結(jié)。

如果有了合適的降噪技術(shù)，并準(zhǔn)備在系統(tǒng)中進(jìn)行驗證，最好在做原型設(shè)計之前使用仿真來對設(shè)計進(jìn)行評估。傳導(dǎo)型 EMI 可以在電路仿真中用 SPICE 進(jìn)行檢查。對于其他噪聲源而言，除非有一個準(zhǔn)確的電路模型來描述系統(tǒng)，否則無法在電路層面上進(jìn)行檢查。因為這些其他的抑制機(jī)制取決于精確的物理布線，所以需要用 3D 場求解器來全面評估許多噪聲抑制技術(shù)的有效性。對于 PCB 設(shè)計工程師來說，最好的場求解器應(yīng)用可以直接在 PCB 設(shè)計工具內(nèi)使用，并能直接根據(jù)布線數(shù)據(jù)運(yùn)行模型。

無論需要解決什么噪聲源，都可以使用具有集成 3D 電磁場求解器和全套 CAD 工具的 PCB 設(shè)計和分析軟件來應(yīng)用這些噪聲耦合抑制技術(shù)。Cadence 可以提供強(qiáng)大的軟件，自動執(zhí)行系統(tǒng)分析中許多重要的任務(wù)，包括一系列布線前和布線后仿真功能，順利完成系統(tǒng)評估。

文章來源：Cadence楷登PCB及封裝資源中心

審核編輯 黃宇