EMC-3---噪聲的傳輸和放大

引言：噪聲是一個(gè)不容忽視的重要問(wèn)題，無(wú)論在哪個(gè)領(lǐng)域，都需要采取降噪措施來(lái)解決噪聲，電子設(shè)備的精度和分辨率受制于信噪比。此外，噪聲輻射過(guò)大的產(chǎn)品可能會(huì)對(duì)其他設(shè)備造成不利影響，在某些情況下甚至可能還會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重事故。因此噪聲在世界各地均受到有關(guān)法律法規(guī)的約束，在日本有《電氣用品安全法》，在美國(guó)有FCC，在歐盟有英國(guó)等不同國(guó)家和地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)，除此之外，還有CISPR、IEC和ISO等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，不符合這些安全標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品不能在相應(yīng)的國(guó)家和地區(qū)出售，也不能進(jìn)出口。

1.差模/共模噪聲

EMC-1（傳送門(mén)：EMC-1：噪聲的本質(zhì)和信號(hào)的頻譜）中將電磁干擾EMI分為“傳導(dǎo)噪聲”和“輻射噪聲”兩種。其中，傳導(dǎo)噪聲根據(jù)傳導(dǎo)方式可分為“差模噪聲”和“共模噪聲”兩種。這里將差模噪聲和共模噪聲不視作噪聲類(lèi)型，而是定義為傳導(dǎo)噪聲的流轉(zhuǎn)方式，如圖3-1是差模噪聲和共模噪聲的噪聲電流流向。

圖3-1：左--->差模噪聲傳導(dǎo)路徑；右--->共模噪聲傳導(dǎo)路徑

差模噪聲：噪聲源于電源線(xiàn)串聯(lián)進(jìn)入，噪聲電流與電源電流在同一路徑流通，方向相同，在電源線(xiàn)之間產(chǎn)生噪聲電壓，屬于電源線(xiàn)之間的差模噪聲，差模干擾侵入往返兩條信號(hào)線(xiàn)。由于往返方向相反而被稱(chēng)為“差模（Differential mode）”，本質(zhì)是兩根線(xiàn)之間的信號(hào)差值。差模信號(hào)的特點(diǎn)是幅度相等，相位相反，所有的差模電流全流過(guò)負(fù)載。

共模噪聲：是經(jīng)雜散電容等泄漏的噪聲電流經(jīng)由大地返回電源線(xiàn)的噪聲，因電源的＋端和－端流過(guò)的噪聲電流方向相同而被稱(chēng)為“共模（Common mode）”，在電源線(xiàn)間不產(chǎn)生噪聲電壓，而是電源線(xiàn)和基準(zhǔn)GND之間產(chǎn)生噪聲電壓，所以共模噪聲又稱(chēng)兩根線(xiàn)分別對(duì)地的噪聲，共模信號(hào)的干擾信號(hào)侵入線(xiàn)路和接地之間。共模信號(hào)的特點(diǎn)是幅度相等，相位相同，噪聲電流在電源正極側(cè)和負(fù)極側(cè)同向流過(guò)。

如前所述，這些噪聲就是傳導(dǎo)噪聲，由于電源線(xiàn)中流動(dòng)著噪聲電流，因此會(huì)發(fā)出噪聲。

圖3-2：差模噪聲輻射三維視角

由差模噪聲引起的輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度Ed可通過(guò)圖3-2中的公式來(lái)表示。Id為差模中的噪聲電流，r為到觀(guān)測(cè)點(diǎn)的距離，f為噪聲頻率。差模噪聲會(huì)產(chǎn)生噪聲電流環(huán)，因此水平環(huán)路面積S是非常重要的因素。如圖和公式所示，假設(shè)其他因素固定，環(huán)路面積越大則電場(chǎng)強(qiáng)度越高。

圖3-3：共模噪聲輻射三維視角

由共模噪聲引起的輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度Ec可通過(guò)圖2-3中的公式來(lái)表示。Ic為差模中的噪聲電流，r為到觀(guān)測(cè)點(diǎn)的距離，f為噪聲頻率。共模噪聲同樣會(huì)產(chǎn)生噪聲電流環(huán)，因此垂直回路面積S（高度L很小可以忽略，那么就是線(xiàn)長(zhǎng)L占主導(dǎo)）是非常重要的因素。如圖和公式所示，假設(shè)其他因素固定，走線(xiàn)長(zhǎng)度越長(zhǎng)則電場(chǎng)強(qiáng)度越高。這里注意兩個(gè)概念區(qū)別，即環(huán)路面積和回路面積。

2.差模/共模噪聲計(jì)算

為了更好地認(rèn)識(shí)每種噪聲引發(fā)的輻射特點(diǎn)，接下來(lái)代入實(shí)際數(shù)值來(lái)計(jì)算一下電場(chǎng)強(qiáng)度，電場(chǎng)強(qiáng)度的觀(guān)測(cè)點(diǎn)用藍(lán)色圓點(diǎn)來(lái)表示，其中探測(cè)距離1m，線(xiàn)路長(zhǎng)20cm，寬1cm。

圖3-4：計(jì)算參數(shù)

差模噪聲：

設(shè)100MHz頻率的差模噪聲電流1uA，流過(guò)20cm2環(huán)路面積，距離1m處（90°）的電場(chǎng)強(qiáng)度值為：

共模噪聲：

設(shè)100MHz頻率的共模噪聲電流1uA，流過(guò)20cm的線(xiàn)纜，距離1m處（90°）的電場(chǎng)強(qiáng)度值為：

即使噪聲電流值相同，受共模噪聲的影響也很大，上面計(jì)算結(jié)果共模噪聲是差模噪聲的96倍，如果線(xiàn)束采用絞合線(xiàn)則面積S減小，差模噪聲減少，面積S對(duì)共模噪聲無(wú)影響。

噪聲電流值相同的情況下，共模噪聲輻射要大得多，如果這些傳導(dǎo)噪聲和輻射噪聲即EMI如果超出了容許范圍，就需要采取降噪對(duì)策。特別是在考慮輻射噪聲對(duì)策時(shí)，針對(duì)共模噪聲的對(duì)策尤為重要。原則性的降噪對(duì)策是差模噪聲要減少環(huán)路面積S（比如線(xiàn)纜采用絞合線(xiàn)），共模噪聲要極力縮短線(xiàn)纜長(zhǎng)度。不過(guò)一定會(huì)遇到受配置和材料等因素限制的情況，此時(shí)就需要探討增加濾波器的方法。

＜小結(jié)＞

1：電磁干擾EMI可分為“傳導(dǎo)噪聲”和“輻射噪聲”兩種。

2：傳導(dǎo)噪聲可分為“差模（常模）噪聲”和“共模噪聲”兩種。

3：關(guān)于輻射噪聲，差模噪聲的線(xiàn)纜環(huán)路面積、共模噪聲的線(xiàn)長(zhǎng)是非常重要的因素。

4：即使條件相同，共模噪聲帶來(lái)的輻射遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于差模噪聲。

3.串?dāng)_

串?dāng)_是由于線(xiàn)路之間的耦合引發(fā)的信號(hào)和噪聲等的傳播，兩根線(xiàn)（包括PCB的布線(xiàn)）獨(dú)立的情況下，相互間應(yīng)該不會(huì)有電氣信號(hào)和噪聲等的影響，但是兩根線(xiàn)平行的情況下，會(huì)因存在于線(xiàn)間的雜散（寄生）電容和電感而耦合引發(fā)干擾，所以串?dāng)_也可以理解為感應(yīng)噪聲。圖3-5和圖3-6為每種耦合的示意圖以及最簡(jiǎn)化的等效電路。R為電阻，C為電容，M為互感系數(shù)，Vs為噪聲源電壓，Is為噪聲源電流，Vs=V-Signal為信號(hào)源（噪聲源），如下給出了從噪聲源的line1到附近的line2所產(chǎn)生的噪聲電壓Vn。

圖3-5：容性串?dāng)_

通過(guò)line間的雜散電容導(dǎo)致電容耦合，line1產(chǎn)生的噪聲通過(guò)電容耦合在GND間產(chǎn)生噪聲電壓Vn：

圖3-6：感性串?dāng)_

通過(guò)line間互感的電感耦合，line端產(chǎn)生的噪聲通過(guò)電感耦合在GND之間產(chǎn)生的Vn：

在高頻、line間的距離足夠近、接收端高阻抗的條件下，串?dāng)_的效果將增加。

＜小結(jié)＞

1：平行的布線(xiàn)間會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_。

2：串?dāng)_的因素有雜散（寄生）電容引發(fā)的電容耦合和互感引發(fā)的電感（電磁）耦合。