|
作者: Alan Rich 想像一下，如果電路不工作，隨處添加一個去耦電容(例如0.01 μF陶瓷圓盤電容)，修好了！或者當電路傳出噪聲時，一塊屏蔽體就能解決問題：用金屬片把電路包起來，將屏 蔽體“接地”，噪聲馬上消失！ 遺憾的是，現實中沒有這樣的好事。添加0.01μF圓盤電容只會增加噪聲；屏蔽體完全無效，甚至更糟，噪聲會在電路遠端重新出現。 此專題分兩部分討論，本文是第一部分，旨在幫助您了解并有效處理電子系統中的干擾噪聲。這里我們將考慮拾取噪聲的機制，因為解決任何噪聲問題的第一步是確定噪聲來源和耦合機制，然后才能實施有效解決方案。稍后我們在第二部分將提供具體技術建議和有效屏蔽靜電和磁耦合噪聲的原則。 我們討論的是何種噪聲？ 任何電子系統都存在許多噪聲來源。表現形式主要有三種：發射噪聲，與原始信號一起接收且無法區分；內生噪聲(例如發熱產生的約翰遜噪聲、散粒噪聲和爆米花噪聲)，源自構成電路的器件；以及干擾噪聲，從電路外部拾取。干擾噪聲可能源于自然干擾(如閃電)，或者從系統內或附近的其他電氣設備(例如電腦、開關電源、SCR控制加 熱器、無線電發射機、開關觸點等)耦合進來。 本文僅探討最后一類，即人為噪聲，這是數據采集或測試系統中最普遍存在的系統噪聲。它在低電平電路中最麻煩，系統任何部分均無法逃脫其影響。但它也是會受布線和屏蔽選擇影響的唯一噪聲形式。 假設和分析工具 盡管完整、精確描述電氣系統特性必然用到麥克斯韋方程組(意味著更多的數學計算)，但大多數情況下傳統的電路分析仍然很有用。解決這些問題時，要確保電路分析有效，需做如下假設： 1. 所有電場局限于電容內部。 2. 所有磁場局限于電感直接相鄰部分。 3. 電路尺寸相對于所考慮的波長較小。 使用上述假設，我們可以將噪聲耦合通道模擬為集總電路元件。將耦合兩個電感的磁場模擬為互感。可將雜散電容模擬為兩個導體，兩者間存在電場。圖1顯示了一個等效電路情況，其中兩根短導線在系統地上彼此相鄰。 
圖1. 兩個相鄰導線和接地層的噪聲等效電路。 一旦獲得某一系統的完整噪聲等效電路，問題就成為針對所需參數求解其中一個網絡方程式。所有標準線性電路分析技術均可應用，包括節點方程、環路方程、矩陣代數、狀態變量、疊加、拉普拉斯變換等等。當電路超過5和6個節點時，手動計算變得困難；此時必須使用計算機輔助程序，例如SPICE，以及其他CAD技術。有經驗的設計師可以適當地簡化假設；但其有效性在得到驗證前必須始終警惕。 集總元件方法不一定給出精確數字答案，但可以清晰顯示噪聲與系統參數的依賴關系。繪制盡可能詳確的等效電路可以給如何降低噪聲電平提供思路。一旦寫出網絡方程和CAD程序，便可研究噪聲抑制技術的定量影響。 雖然所有現代技術均在進步，例如微處理器和開關電源，但導線仍具有電阻和電感，電容仍存在于真實世界，這些現象必須認真對待。 基本原理 噪聲問題始終牽涉三個因素：噪聲源(線路瞬變、繼電器、磁場等)、耦合介質(電容、互感、導線)和接收機，即易受噪聲影響的電路(圖2)。
圖2. 噪聲拾取始終涉及噪聲源、耦合介質和接收機。 要解決問題，必須消除、削弱或轉移這三個因素中的一個或多個。在可以解決問題前，必須徹底弄清這些因素在問題中的作用。如果解決方案不當，噪聲問題只會變得更糟！不同噪聲問題需要不同的解決方案；添加電容或屏蔽體并不一定有效。 系統噪聲類型 任何電子系統中的噪聲來源很多，包括計算機、風扇、電源、相鄰設備、測試器件，甚至用于抑制噪聲但連接不當的屏蔽體和接地線。我們討論的噪聲源和耦合機制包括下列主題： ●公共阻抗噪聲 ●容性耦合噪聲 ●磁耦合噪聲 ●電力線瞬變 ●其他噪聲源 公共阻抗噪聲 顧名思義，公共阻抗噪聲是由數個電路共有的阻抗引起的。圖3顯示了基本配置，可能發生于脈沖輸出源和運算放大器基準端子均連接到“接地”點的情況，該點對電源返回端子有明顯阻抗。噪聲電流(電路1的噪聲返回電流)將在阻抗Z兩端產生電壓Vnoise，該電壓對電路2表現為噪聲信號。
圖3. 公共電路阻抗如何產生噪聲。 通常，此類噪聲的重復率取決于噪聲源速率。實際波形由阻抗Z的特性決定。例如，如果Z完全是電阻式，噪聲電壓將與噪聲電流成正比，并具有相似形狀(圖4a)。如果Z為R-L-C，噪聲電壓將以頻率1/(2πLC)振鈴，并以L/R (b)確定的速率呈指數性衰減。 如果在電路中發現此類噪聲，可以從重復率和波形很容易地推斷出原由。重復率將指向噪聲來源，因為噪聲與其來源是同步的。 例如，(c)中所示的噪聲波形(重復率25kHz，占空比25%)就是包含調節環路并使用脈寬調制的開關電源的典型波形。
圖4. 公共阻抗中的噪聲效應，(a)電阻，(b)R-L-C電路，(c)開關噪聲響應。 波形有助于確定實際產生干擾噪聲的阻抗。例如，如果噪聲波形是圖5所示的簡單阻尼正弦波，以下特性可幫助我們推斷Z的性質： ● 恒定電阻R與線路串聯。電壓變化V1是R與電流階躍I1的 乘積。 ●振蕩自然頻率f1取決于串聯的L和并入的C，f = 1/(2πLC)。 ●阻尼時間常數T由L/R決定。
圖5. 欠阻尼R-L-C電路的波形。 容性耦合噪聲 噪聲源至另一電路的容性耦合也會產生噪聲。此類噪聲常見于具有快速升降時間或高頻成分的信號靠近高阻抗電路的情況。雜散電容將信號快速沿耦合至相鄰電路，如圖6的電路模型所示。阻抗Z的性質決定響應波形。表1列出了典型電容。
圖6. 雜散電容將噪聲耦合至高阻抗電路。 表1. 典型電容。
容性拾取發生的方式、形狀和大小有多種。下面是幾個示例： ●TTL數字信號產生快速沿，典型上升時間為10納秒，電壓擺幅為5 V。如果Z是1兆歐電阻，即使0.1pF也會產生5 V尖峰和100納秒的衰減時間常數。 ●兩根相鄰導線間可能產生串擾。例如，如果兩根導線是10英尺(3米)長度的電纜，電容為40 pF/英尺，則總電容為400 pF。如果在一個導體上施加1 kHz的10 V測試電壓，當Z是10 k電阻時，1 kHz的250 mV電壓將耦合至相鄰導線。 ●通過公共阻抗在交流電力線上產生的噪聲將耦合至其他電路。常見情況是瞬變通過電源變壓器的繞組間電容耦合。 令人驚奇的是，小小的電容竟能導致嚴重問題。例如，考慮高抗擾度CMOS邏輯用于工業電路中的情況，電路中存在2500 V、1.5 MHz噪聲瞬變(IEEE標準472-1974)。假設CMOS輸入與噪聲源之間僅有0.1 pF的雜散電容，如圖7所示。計算出的噪聲電壓為2.4 V，穩態下，50 V的初始瞬變將導致邏輯運算錯誤，甚至更壞的情況！
圖7. 高壓瞬變從測試發生器耦合至邏輯。 磁耦合噪聲 電纜載送電流、分配交流電源時，以及機器、電源變壓器、風扇等附近均可發現強磁場。磁耦合電路與容性耦合電路間存在類似的關系，如圖8和表2所示。 ● 噪聲為磁耦合時，電壓噪聲(Vn)表現為與接收機電路串聯；而在容性情況下，接收機與地電壓間產生的電壓噪聲是噪聲電流in在Z中造成的電壓。 ●降低接收機阻抗Z可減少容性耦合噪聲。磁耦合電路則不同；降低Z不會顯著減少電壓噪聲。
圖8. 磁噪聲耦合與容性噪聲耦合的比較。 表2. 容性耦合與磁耦合的特性。
此類比可幫助我們考量容性耦合噪聲與磁耦合噪聲間的差異。 磁場在閉合環路(單匝)內的感應電壓Vn由下式給出： Vn = 2πfBA cosθ×10-8 (1) 單位為伏特，其中f是正弦變化通量密度的頻率，B是通量密度的均方根值(高斯)，A是閉合環路面積(cm2)，θ是B與面積A的角度。 例如，考慮圖9所示電路。它顯示的是兩個一英尺導體的電壓計算，導體相隔1英寸，置于10高斯60 Hz磁場內(對于風扇、電源布線、變壓器很典型)導線內最大感應電壓為3 mV。
圖9.磁噪聲幅度示例。 上面公式說明，噪聲電壓可通過降低B、A或cosθ來減少。要降低B項，可增加與磁場源的距離，在磁場由流經導線對附近的電流引起的情況下，也可絞繞導線，通過交替方向將凈磁場降至零。 環路面積A可通過讓導體彼此更加靠近來縮減。例如，如果本例中的導體相隔0.1"(僅靠絕緣分離)，噪聲電壓將減小至0.3 mV。如果將導體絞繞在一起，面積事實上會減小至很小的正負增量，從而消除(實際是抵消)磁噪聲。 cosθ項可通過適當調節接收導線相對于磁場的方向來降低。例如，如果導體與磁場垂直，噪聲可降至最低，如果導體在相同電纜內一起延伸(θ = 0)，噪聲將達到最大。 當兩個導體并聯時，在給定互感M下，以角頻率ω = 2πf載送電流I2，均方根感應電壓Vn為： Vn = ωMI2 (2)
圖10. 流經電纜屏蔽體的電流引起的磁噪聲。 圖10顯示了運用此關系的情形，并說明僅將屏蔽體一端接地的原因。使用100英尺屏蔽電纜，將高電平低阻抗信號(10V)載送至12位數據采集系統(1 LSB = 2.4 mV)。屏蔽體每 英尺串聯電阻為0.01歐姆，與導體的互感為0.6μH/英尺，源極和目的地均已接地。兩個接地點間在60 Hz時存在1 V電位，使1安培電流流入1歐姆的屏蔽體總電阻。根據公式 (2)，導體內的感應噪聲電壓為： Vn=（2π×0.6×10-6H)(1 A)=23 mV, 即10 LSB，從而將系統有效分辨率降低至9位以下。由于屏蔽體兩端均接地，流入屏蔽體的大電流是產生該噪聲電壓的直接原因。而且，接地點間的1伏特電位只是保守假設！在重工業環境中，接地間電位達10至50伏特都不罕見。 電力線瞬變 另一類系統噪聲是感性電路(例如繼電器、電磁閥和電機)開啟和關閉時由高壓瞬變產生的噪聲。當具有高自感的器件關閉時，塌縮磁場可在電力線上產生頻率從0.1至3兆赫的千伏級瞬變。 除通過容性和電導耦合以及輻射能量在敏感電路內產生噪聲外，上述瞬變也會危及設備和人員。業界已建立表征特定瞬變波形的保護標準；不過，設計時除了抗噪外，系統也應解決對信號的潛在干擾問題。圖11顯示了工業標準中的4種典型波形。 其他噪聲源最后，有一組噪聲源可視為混雜的或“古怪的”。 對于高阻抗下的低電平信號，電纜本身也可成為噪聲源。電纜內的電介質材料上可以產生電荷；如果電介質與導體無接觸，除非電纜可保持剛性，否則此電荷將成為電纜內的噪聲源。此噪聲高度依賴于電纜的任何運動；Belden Corporation曾報告噪聲電平為5至100 mV。在實驗室內移動和彎曲RG188同軸電纜時，也觀察到類似特性的噪聲(5至25 mV)。 另一類運動相關噪聲發生在電纜穿過磁場的情況。當電纜切割固定磁通線或者通量密度B變化時，電纜內產生感應電壓。這種噪聲在可能使電纜快速運動的高振動環境下很麻煩。如果可以阻止電纜相對于磁場的振動，噪聲便不會出現。 最后，如果儀器儀表靠近廣播電臺或電視臺工作，信號可能受傳輸噪聲影響。除AM、FM和電視發射機外，RFI也可能來自CB無線電、業余無線電、對講機、尋呼系統等。由于對RF噪聲進行整流，高頻噪聲應視為直流電路中存在神秘漂移的可能來源；調查漂移時必須使用寬帶示波器。 總結 本文詳細說明了任何電子系統中都會存在的不同類型干擾噪聲。表3列出了上述噪聲源，以及解決噪聲問題的一些有效方法。了解使用降噪技術前的完整噪聲系統(來源、耦合介質、接收機和關聯)非常重要。 降噪不需要魔法師一樣的手段，通過工程師的實踐和分析就能解決。毫無疑問，最有效的方法是預防，也就是在構建系統前應用降噪分析和最小化技術。 我們在第二部分將說明如何正確應用屏蔽和防護技術來降噪。 |
