高速数字电路的噪声分析.docx

高速数字电路设计与噪声探讨目 录一、引言 2二、高速电路 22.1 什么是高速电路 .22.2 高速数字电路设计 .32.3 高速数字电路设计中存在的噪声干扰 .3三、电磁干扰 43.1 电磁干扰的概念与抑制措施 .43.2 变电所内电磁干扰来源、传输途径和信号模式 .53.3 变电所抗电磁干扰的措施 .6结束语 8致谢 8参考文献 89高速数字电路设计与噪声探讨姓名：易海涛指导老师：吴桂华摘要： 随着科学信息技术的飞速发展， 各种电器以及电子设备的广泛应用， 电磁干扰已成为高速数字电路设计面对的一个主要问题。 为了克服这个问题， 目前常用的方法是屏蔽、接地和滤波。关键词： 高速数字电路、电磁干扰一、引言随着计算机技术和集成电路的高速发展，集成电路的集成度呈 Moore 定理提高，即每18 个月翻一番，大规模集成电路和超大规模集成电路已广泛用于各种数字电路的设计。传统的 VLSI 采用硅材料精密光刻技术和多层铝布线工艺，进入 20 世纪 90 年代已进入深亚微2米时期，如：IC芯片的最小线宽为0.18m芯片尺寸为800mm时的DRAMAS可达1GB因此， 在数字电路的设计特别是高速数字电路的设计过程中， 由于器件的密集通常会引起器件之间的相互干扰， 器件的布局、接地、 屏蔽不合理也会导致电路之间的干扰。探讨和分析高速数字电路设计与噪声， 有利于对集成电路和高速数字电路的了解， 有利于高速数字电路的设计与应用。二 、高速电路2.1 什么是高速电路高速数字电路的设计和低频逻辑电路设计的的最大差异就是“高速数字设计”非常强调“无源元件”的行为，这里所谓的“无源元件”包括了电路板、接地、 IC 封装，甚至是电路板上的一个通孔，或是一个接地垫片。“高速电路”已经成为当今电子工程师们经常提及的一个名词，但究竟什么是高速电路？这的确是一个“熟悉”而又“模糊”的概念。 通常认为如果数字逻辑电路的频率达到或者超过45MHz50MHZ而且工作在这个频率之上的电路已经占到了整个电子系统一定的份量（比如说1/3）,就称为高速电路。实际上， 信号边沿的谐波频率比信号本身的频率高， 是信号快速变化的上升沿与下降沿（或称信号的跳变）引发了信号传输的非预期结果。因此，通常约定如果线传播延时大于1/2 数字信号驱动端的上升时间，则认为此类信号是高速信号并产生传输线效应。信号的传递发生在信号状态改变的瞬间， 如上升或下降时间。 信号从驱动端到接收端经过一段固定的时间， 如果传输时间小于1/2 的上升或下降时间， 那么来自接收端的反射信号将在信号改变状态之前到达驱动端。 反之， 反射信号将在信号改变状态之后到达驱动端。 如果反射信号很强，叠加的波形就有可能会改变逻辑状态。2.2 高速数字电路设计（ 1 ） 信号可以对地接地层过载： 在高速数字电路设计里， 不如微波设计的严谨， 通常像 SRAM都可以从允许有10mA到直电流。但高速数字里的“直流偏移”会减少噪声容限。（ 2 ）芯片封装的状况影响“接地反弹”较大：如果在封装结合线时采取高电感量的导线，或者没有加装“去融合电容” ， 以及使用了不是高频专用的高接脚数 IC 封装， 都会导致“接地反弹”的现象日趋严重。（ 3 ）高速数字系统的特性阻抗相当不容易控制：高速数字系统的通路宽度不易控制其尺寸结构，这是由于通路宽度通常是相当窄的缘故。（ 4 ）增加接地层会导致成本增加。（ 5 ）在高速数字系统里，大抵还能采用带状电缆或者双绞线来连接信号端与接地层。2.3 高速数字电路设计中存在的噪声干扰随着集成电路与计算机科技的蓬勃发展，进入高速数字领域的电子的技术趋势是：（ 1 ）信号的上升时间愈来愈短（ 2） CPU的时钟脉冲频率愈来愈快（ 3） 每个 IC 的I/O 接脚愈来愈多（ 4） 更多的I/O接脚会同时切换逻辑状态（ 5） ）接脚的接线密度愈来愈高（ 6） IC 封装的分布效应应会溅趋明显所以在设计一个高速系统时，我们会遇到以下噪声干扰问题（ 7） ）接地反弹。它主要是源自于电源路径以及I C封装所造成的分布电感的存在。当系统的速度愈快，同时转换逻辑状态的I/O引脚个数愈多时，会产生较大的瞬态电流，导致电源线上和地线睥电压波动和变化， 这就是平进所说的接地反弹。 接地反弹是数字系统的几个主要噪声来源之一。 接地反弹的噪声常见的现象是， 会造成系统的逻辑运作产生误动作， 尤其近年来日益风行的3.3V 逻辑家族。（ 8） ）串扰。信号在沿着传输线传输时，是以电磁波的形式传输的。电磁波包含时变的电场和磁场。因为电磁场的能量主要是在传输线的外部， 根据麦克斯韦方程知道， 时变场会在周围的传输线产生电压和电流。 那么对受到干扰的传输线而言， 这个电压和电流就是由串扰造成的。 串扰主要源自两相邻导体之间所形成的互感与互容。 串扰会随着印刷电路板的绕线布局密度增加而越显严重，尤其是长距离总线的布局，更容易发生串扰的现象。这种现象是经由互容互感将能量由一个传输线耦合到相邻传输线上的。(3) 反射。反射现象的原因是：信号传输线的两端没有适当的阻抗匹配，印刷电路板上的分支布局产生特性阻抗的断点，过孔的尺寸以及其它互连所造成的阻抗不连续。所谓特性阻抗是定义为，“当导线上流经有高频信号时，所呈现的电压/电流比值”。那么对于确定的传输线而言，其特性阻抗为一个常数。信号的反射现象就是因为信号的驱动端和传输线的特性阻抗以及接 收端的阻抗不一致所造成的。(4) 时钟脉冲不对称时钟脉冲不对称是由于电子组件的特性不同与布线差异所造成的。三、电磁干扰3.1 电磁干扰概念与抑制措施电磁干扰，又称为 RFI (Radio Frequency Interference ),这是一种会电子装置造成 不良影响的噪声。“电磁干扰(EMI)”和“电磁忍受”(EMS Electro Magnetic Susceptibility ) 合称为"电磁兼容"(EMC Electro Magnetic Compatibility )。电磁干扰系泛指电子装 置所产生之电磁波对周围电子装置的干扰能力，而电磁忍受则是指电子装置能够忍受外在电磁波干扰的程度。一个具有“电磁兼容”的电子装置，不仅不会干扰到周围的电子装备，而 且也能够忍受来自周围设备的电磁干扰。电磁干扰会发生作用，有三个要素必须同时存在。这包括一个电磁干扰源，偶合路径， 受扰装置，如图所示。控制发射(减少噪声源级别)(降低电磁辐射)控制易受干扰性(降低电磁辐射)(增加接受器抗干扰能力)如果其中任何一个要素不存在，干扰就不会发生。所以抑制电磁干扰的方法有三个，首 先应该抑制电磁干扰源， 直接消除干扰原因； 其次是消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐 射，切断电磁干扰的传播途径；第三是提高受扰设备的抗扰能力，减低其对噪声的敏感度。1）抑制电磁骚扰源的设计要点尽量去掉对设备 （或系统）工作用处不大的潜在电磁骚扰源， 减少骚扰源的个数； 恰当选择元器件和线路的工作模式， 尽量使设备工作在特性曲线的线性区域， 以使谐波成份降低；对有用的电磁发射或信号输出也要进行功率限制和频带控制； 合理选择电磁波发射天线的类型和高度， 不盲目追求覆盖面积和信号强度； 合理选择电磁脉冲形状， 不盲目追求上升时间和幅度；控制产生电弧放电和电火花，宜选用工作电平低的或有触点保护的开关或继电器，宜选用加工精密的直流电机； 应用良好的接地技术来抑制接地干扰、 地环路干扰并抑制高频噪声。2）抑制干扰耦合的设计要点把携带电磁噪声的元件和导线与连接敏感元件 （或电磁骚扰特性测量端口、 界面） 隔离；缩短干扰耦合路径的长度， 宜使导线尽量短， 必要时使用屏蔽线或加屏蔽套； 注意布线和结构件的天线效应， 对通过电场耦合的辐射， 尽量减少电路的阻抗， 而对通过磁场耦合的辐射，则尽量增加电路的阻抗； 应用屏蔽等技术隔离或减少辐射途径的电磁骚扰； 应用滤波器、 脉冲吸收器、隔离变压器和光电耦合器等滤除或减少传导途径的电磁骚扰。3）受扰设备的设计要点对于骚扰源的各种电磁防护措施， 一般也同样适用于受扰设备， 可以采用滤波、 脉冲吸收、 内部屏蔽、 隔离技术、 内部去耦电路及线路和结构的合理布局等来抑制电磁干扰。 此外，在设计中尽量少用低电平器件， 不盲目选择高速器件， 去掉那些不十分需要的敏感部件， 适当控制输入灵敏度，等等。目前抑制干扰的几种措施基本上都是用切断电磁干扰源和受扰设备之间的耦合通道， 它 们确是行之有效的办法。常用的方法是屏蔽、接地和滤波。1）屏蔽是利用导电或导磁材料制成的壳、板、套、筒等各种形状的屏蔽体，将电磁能量限制在一定空间范围内的抑制辐射干扰的一种有效措施。 采用屏蔽技术可以有效地抑制开关电源的电磁辐射干扰。 例如， 功率开关管和输出二极管通常有较大的功率损耗， 为了散热往往需要安装散热器或直接安装在电源底板上。 器件安装时需要导热性能好的绝缘片进行绝缘，这就使器件与底板和散热器之间产生了分布电容，开关电源的底板是交流电源的地线，因而通过器件与底板之间的分布电容将电磁干扰耦合到交流输入端产生共模干扰， 解决这个问题的办法是采用两层绝缘片之间夹一层屏蔽片， 并把屏蔽片接到直流地上， 割断了射频干扰向输入电网传播的途径。 为了抑制开关电源产生的辐射， 电磁干扰对其他电子设备的影响，可完全按照对磁场屏蔽的方法来加工屏蔽罩， 然后将整个屏蔽罩与系统的机壳和地连接为一体， 就能对电磁场进行有效的屏蔽。 电源某些部分与大地相连可以起到抑制干扰的作用。 例 如， 静电屏蔽层接地可以抑制变化电场的干扰； 电磁屏蔽用的导体原则上可以不接地， 但不 接地的屏蔽导体时常增强静电耦合而产生所谓 “负静电屏蔽” 效应，所以仍以接地为好，这样使电磁屏蔽能同时发挥静电屏蔽的作用。 电路的公共参考点与大地相连， 可为信号回路提供稳定的参考电位。 因此， 系统中的安全保护地线、 屏蔽接地线和公共参考地线各自形成接地母线后，最终都与大地相连。2）接地是电路或系统正常工作的基本技术要求之一，因为任何电路的电流都要经过地线形成回路。 而地线或接地平面总有一定的阻抗， 该公共阻抗使两接地点间形成一定的电压，从而引起接地干扰。在电路系统设计中应遵循“一点接地”的原则，如果形成多点接地，会出现闭合的接地环路， 当磁力线穿过该回路时将产生磁感应噪声， 实际上很难实现 “一点接地” 。因此，为降低接地阻抗，消除分布电容的影响而采取平面式或多点接地，利用一个导电平面 （ 底板或多层印制板电路的导电平面层等） 作为参考地， 需要接地的各部分就近接到该参考地上。 为进一步减小接地回路的压降， 可用旁路电容减少返回电流的幅值。 在低频和高频共存的电路系统中，应分别将低频电路、高频电路、功率电路的地线单独连接后，再连接到公共参考点上。3）滤波是将有用信号和噪声分离开，滤除噪声的器件。滤波是抑制传导干扰的一种很好的办法。例如，在电源输入端接上滤波器，可以抑制开关电源产生并向电网反馈的干扰，也可以抑制来自电网的噪声对电源本身的侵害。 在滤波电路中， 还采用很多专用的滤波元件，如穿心电容器、 三端电容器、铁氧体磁环，它们能够改善电路的滤波特性。 恰当地设计或选择滤波器，并正确地安装和使用滤波器，是抗干扰技术的重要组成部分。3.2 变电所内电磁干扰来源、传输途径和信号模式变电所综合自动化系统是自动化技术、 计算机技术和通信技术等高科技在变电所领域的综合应用。 近年来， 变电所综合自动化技术得到了迅速的发展， 并得到了广泛的应用。 但是，变电所综合自动化系统内部各个子系统都为低电平的弱电系统， 它们所工作的环境是电磁干扰极其严重的强电场所， 很容易受到这些电磁的干扰而不能正常工作， 给电力系统的安全经济运行带来非常严重的后果。 所以， 提高自动化系统的抗电磁干扰能力， 有着非常重要的意义。（一）电磁干扰的来源目前， 电力系统的电磁干扰源有外部干扰和内部干扰两个方面： 外部干扰包括了高压开关操作、雷电、短路故障、电晕放电、高电压大电流的电缆和设备向周围辐射电磁波、高频载波、对讲机等辐射干扰源，及附近电台、通信等产生的电磁干扰、静电放电等。内部干扰是由自动化系统的结构、 元件布置和生产工艺等决定的。 主要有杂散电感、 电容引起的不同信号感应， 长线传输造成的波反射、 寄生振荡和尖峰信号引起的干扰等。但是，不论是内部还是外部干扰，它们都具有相同的物理特性，所以消除和抑制的措施基本是相同的。（二）电磁干扰的传输途径电磁干扰按传输途径可分为两大类： 传导干扰和辐射干扰。 传导干扰是通过干扰源和被干扰设备之间的公共阻抗进行传播的， 辐射干扰是通过电磁波进行传播的。 两者之间会相互转换， 辐射干扰经过 导线可转换成传导干扰，传导干扰又可通过导线形成辐射干扰。（三）电磁干扰的信号模式电磁干扰信号按其出现的方式， 可分成两种模式： 差模干扰和共模干扰。 以串联的方式出现在信号源回路之中的干扰信号称为差模干扰， 主要是由长线路传输的互感耦合所致。 而 共模干扰则是由网络对地电位发生变化而引起的干扰， 共模干扰有时也称为对地干扰， 它是 造成自动化装置不能正常工作的主要原因。3.3 变电所抗电磁干扰的措施变电所内电磁兼容的意义是： 电气、 电子设备或系统能够在规定的电磁环境下不因电磁干扰而降低工作性能， 它们本身所发射的电磁能量不影响其它设备的正常工作， 从而达到互不干扰， 在共同的电磁环境下一起执行各自功能的共存状态。 变电所综合自动化系统以微机、集成电路和电子元件为主要部件， 属于电磁敏感设备， 如果具有良好的电磁兼容性能， 对保证自动化系统的安全、 可靠运行有着十分重要的意义。 解决其电磁兼容的途径， 主要应当从 提高抗电磁干扰的能力入手。干扰对变电所综合自动化系统在线运行的影响是严重的， 若不采取有效的措施， 将产生严重的后果。 消除或抑制电磁干扰可针对电磁干扰的三要素来进行。 电磁干扰三要素： 电磁干扰源、 耦合途径和受扰设备。 我们可在系统的硬件和软件方面采取一些必要的措施， 以期 消除或抑制电磁干扰。下面就硬件方面谈谈变电所综合自动化系统的抗电磁干扰措施。（一）隔离和屏蔽变电所的微机监控系统、 微机保护装置以及其它自动化装置所采集的模拟量， 大多数来自一次系统的电压互感器和电流互感器， 它们均处于强电回路中， 不能直接输入到综合自动化系统，必须经过设置在自动化系统各种交流回路中的隔离变压器。这些隔离变压器一次、二次中间必须有隔离层和屏蔽层， 而且屏蔽层必须安全接地， 这样可起电场屏蔽作用， 防止高频信号通过分布电容进入自动化系统的相应部件。变电所综合自动化系统开关量的输入， 主要是断路器、 隔离开关的辅助触点等。 开关量的输出， 大多数也是对断路器、 隔离开关的控制。 这些断路器和隔离开关都处于强电回路中，如果与自动化系统直接相连， 必然会引起强的电磁干扰。 因此要通过光耦合隔离或继电器隔离， 这样会取得比较好的效果。 开关量输入回路前及信号变换部分应考虑采用滤波， 开关量输入信号送给CPU之前，必须进行隔离处理，可采用光电隔离，而且两级光电隔离的效果会比较好，在开关量输入板的出口处和CPU板的入口处各设置一级光电隔离。开关量输出回路也应该在前端采取隔离措施， 可通过光耦合或继电器进行隔离， 而且两级隔离的效果比较好，在CPU板的出口处和开关量输出板的入口处各设一级隔离。开关量输出回路一般都用于控制现场的设备，要求实时性强，所以一般不能加滤波器。二次回路布线时，应考虑隔离，减少互感耦合，避免干扰由互感耦合侵入。控制电缆尽可能离开高压母线， 并尽可能减少平行布设长度。 避雷器和避雷针的接地点、 电容式电压互感器等都是高频暂态电流的入地点， 控制电缆也应尽可能离开它们， 以便减少感应耦合。 强、弱信号的电缆不应使用同一根电缆， 信号电缆应尽可能避开电力电缆， 尽量增大与电力电缆的距离，并尽量减少平行布设长度。（二）接地接地在变电所中，一次系统接地是以防雷和保证安全（系统中性点接地）为目的的，但它对二次回路的电磁兼容有重要的影响。 如果接地合适， 可以减少所内的高频瞬变电压幅值，特别是减少电网中各点的瞬变电位差， 减低了电网中的瞬变电位升高。 这对二次设备的电磁兼容很有好处。 例如： 避雷针、 避雷器的接地点应采用两根以上的接地线和加密接地网络；设备接地处要增加接地网络互连线；设备接地线要接于地网导体交叉处。二次系统的接地，从电磁兼容的角度来说，应做到：多个电路共用接地线时，其阻抗应尽量减少； 由多个电子器件组成的系统， 各电子器件的工作接地应连在一起， 通过一点与安全接地网相连；工作接地网各点的电位应尽量保持一致。电磁干扰可能进入综合自动化系统弱电部分的主要途径是通过微机电源。 因为电源与干扰源的联系比较紧密，同时电源线直接连接至系统各部分，包括#$%部分，因此来自电源的干扰很容易引起死机。 所以对微机电源的地线处理问题是很重要的。 微机电源地线与机壳的连接方法有一点连接、 多点连接和不连接三种。 实践中， 多采用微机电源地线和机壳不连接，它的优点是： 由于干扰造成的流过电源的浪涌电流可大大减少， 从而增加了抗共模干扰的能力，可明显地提高系统的安全性和可靠性。而缺点是：在电磁干扰下， 对地电压降在微机电源和机壳之间浮动， 如果微机系统中某一关键部分对机壳的耦合电容较大， 则可能引起逻辑判断出错。 针对电源地线与机壳不连接的缺点， 我们可采用一些方法来尽量减少微机电源地线对机壳的耦合： 尽量减少地线长度， 在允许的情况下加粗线径； 微机系统的印刷电路板周围都用电源线封闭起来； 印刷电路板上的要害部分不要走线过长， 特别是不要引至面板。（三）微机电源的抗干扰微机电源回路是电磁干扰最容易进入的通道， 所以在电磁兼容标准中， 对于同一试验等级， 电源回路的试验电压比其它回路高一倍， 例如采用 3 级试验等级的 EFT 试验， 电源回路的试验电压为2kV,其它回路为1kVo由于这个原因，所以电源回路必须采用比其它回路更多抗电磁干扰措施。对于微机电源的抗干扰，实践中，采取如下措施都是很有效的：在电源的输入侧安装电源滤波器， 可以滤去交流电源输入的高频干扰和高次谐波。 在加装滤波器时有两个问题需要注意： 一是选用合适类型的滤波器， 不同类型的电源选择的滤波器也不同，如线性稳压电源滤波器、 开关电源滤波器等。 二是必须在电源进线的最前端放置滤波器， 使滤波器之前的电源进线尽可能短， 以尽量避免电磁干扰通过这段进线窜入装置内对电路其它部分产生影响。 在可能的情况下， 可考虑将滤波器直接安装在机箱上， 让滤波器的金属外壳与机箱的金属外壳紧密接触； 在电源的输入侧安装隔离变压器， 有隔离变压器的输出端直接向微机供电；通过UPS电源向微机系统供电，可有效地抑制电网低频正常状态下的干扰。结束语： 高速电路设计是一个非常复杂的设计过程在设计过程中， 在进行高速电路设计时有多个因素需要加以考虑， 这些因素有时互相对立。 比如高速器件布局时位置靠近， 虽可以减少延时，但可能产生串扰和显著的热效应。因此在设计中，需权衡各因素， 做出全面的折衷考虑；既满足设计要求，又降低设计复杂度。高速PCB 设计手段的采用构成了设计过程的可控性，只有可控的，才是可靠的，也才能是成功的！致谢： 在本文的写作过程中， 我得到了吴桂华老师悉心的帮助和指导， 她孜孜不倦的教学精神和严谨的工作态度给我留下了深刻的印象， 在此我对她表示由衷的感谢。 同时， 我们同寝室同学对我给予了极大的帮助，在此一并感谢她们。参考文献：1 Howard Johnson MartinGraham编著高速数字设计High-Speed Digital Design 电子工业出版社2005 年 1 月出版2 谢金明 编著 高速数字电路设计与噪声控制技术 电子工业出版社 2004 年出版3 高攸纲 编著 屏蔽与接地 北京邮电大学出版社2004 年出版4 钱振宇 编著 产品的电磁兼容设计J 电源技术应用 2003 年 4 月出版5 EMI 电磁波干扰之实务 无线电杂志社6 谢金明 编著 High Speed Digital Student Book 1992 年出版7 陈尧舜 编著 机构材料之电磁干扰屏蔽效益分析比较 1992 年出版8 林国荣 编著 电磁干扰及控制 电子工业出版社2003 年出版High speed digital design with the noise discussionAbstract : With the sharp development of Science information technique, Extensive application of different electric apparatus and electronic equipment ， Electro magnetic interference has already become a subject matter that High speed digital designhas faced。 In order to overcome this question， The presentcommonly used method is Shielding, Grounded and Strain wavesKeyword : High speed digital Electro magnetic interference