幾乎所有的電子硬件工程師工作上都會(huì)面臨不同程度的電磁波干擾(EMI)問題，尤其是最近幾年電子產(chǎn)品逐漸朝高功率、高傳輸速率、小型化方向發(fā)展，使得EMI問題越來越復(fù)雜多樣化，事實(shí)上這正意味著充分掌握EMI特性，同時(shí)在設(shè)計(jì)階段事先導(dǎo)入預(yù)防措施采取正確的防范對策，才是有效克服日趨嚴(yán)格的EMI/EMC挑戰(zhàn)最佳手段。本文將從基礎(chǔ)物理的角度說明EMI信噪的定義與判別要素。

信號與噪訊

a.信號與噪訊的定義

所謂信號「Δ」是指相互隔離場所，利用光、電氣等符號進(jìn)行信息交流時(shí)的符號而言，此處所指的符號Δ是指表達(dá)語言、文字等信息時(shí)的記號體系。本實(shí)用EMI噪訊對策技術(shù)講座所謂信號，則是指電氣性的信號而言，通常電氣性信號大多使用電壓Δ或是電流Δ等符號。在模擬Δ信號有所謂的電壓大小信號，它表示大小的信息，即使數(shù)字Δ信號也是直接使用模擬信號的電壓，兩者最大差異是數(shù)字信號利用大小，亦即0或是1的2值決定，而不是利用某個(gè)額定電壓值決定信號的大小。

以上介紹的方式雖然是最基本的信號表示方法，不過也有其它表示方法經(jīng)常被使用，例如在頻率變調(diào)Δ領(lǐng)域，通常利用頻率Δ表示信息。此外數(shù)字信號除了上述2值之外，偶而會(huì)使用3值以上的多值表示，由于2值信息比3值以上的信息處理上更容易，因此目前大部份的場合都使用2值方式。 如圖1所示信號分為內(nèi)載必要信息的信號(signal)與妨害該信號的噪訊(noise)兩大類，廣義上信號是必要信號與噪訊兩者的組合，一般使用狹義定義，狹義上只將必要信號稱為信號，原則上本講座中的信號是指狹義的信號而言，使用特殊廣義定或是要求明示時(shí)，利用一種被稱為電氣性信號作區(qū)隔。

圖1 信號與噪訊的差異

b.信號歪斜與噪訊

刻意使信號歪斜使該結(jié)果成為期待的信號，此時(shí)刻意使信號歪斜的操作稱為信號處理，非刻意的信號歪斜會(huì)妨害期待的信號，它相當(dāng)于噪訊的定義，換言之它是信號本身歪斜造成噪訊發(fā)生。信號處理的用語通常使用數(shù)字信號或是模擬信號表示，在數(shù)字技術(shù)它被當(dāng)作處理的意味，一般更廣泛定義亦即在模擬信號中它包含處理的含意，因此使用信號處理的術(shù)語。

圖2 信號的歪斜

c. S / N 比

信號與噪訊的大小一般以功率(power)「W 」表示，功率是指單位時(shí)間的能量Δ( J，焦?fàn)?，亦即：

功率( W ) = 能量( J ) / 時(shí)間( s )

噪訊通常用信號對噪訊比S/N方式表示，而不是用絕對值表示，亦即：

至于功率比則以分貝(dB: decibel)表示，以對數(shù)表示功率比稱為貝爾(B:Bel)，由于它所指的「比」原本是無次元數(shù)不過常被使用，因此特別添加單位名稱Δ，成為貝爾(單位為1/10，數(shù)值變成10倍)。

分貝也使用在電壓比，電壓比的場合：

貝爾=20分貝

此處假設(shè)：

P : 電力 V : 電壓 R : 阻抗 ( 電阻 )

消費(fèi)功率與施加于阻抗的電壓可用下式表示： P = V2 / R

由于貝爾的定義為電力比，因此電壓比以貝爾表示時(shí)必需換算成功率比，此時(shí)2次方在對數(shù)變成2倍(此處請讀者注意，貝爾為電力與電壓時(shí)完全不同)。 電流比與電壓比同樣是: 貝爾 = 20分貝

如上所述S/N以功率比表示，不過信號通常利用電壓表示它的大小或，是利用電壓傳輸，因此以電壓比或是電壓評鑒，被視為適宜的情況相當(dāng)多。

電路圖中未標(biāo)示的電路

使信號歪斜的要素

使信號歪斜的要素通常是某些電路組件，具體而言它是指為了刻意進(jìn)行信號處理時(shí)，使用適合該處理作業(yè)需求的電路組件，例如電阻Δ、電容Δ等等，而這些電路組件一定被組裝搭載在電路上，不過產(chǎn)生噪訊的電路組件一般都未裝設(shè)在電路上，此處筆者想想要強(qiáng)調(diào)的是「即使電路圖中未記載、標(biāo)示，波形歪斜的要素仍舊存在」。電路圖中記載的電路組件被視為理想性動(dòng)作體，在電路圖中電阻器屬于純粹理想性電阻器，電容器也是屬于純粹理想性電容器，然而實(shí)際使用的電子組件卻偏離理想性具備現(xiàn)實(shí)特性。圖3是組件的理想特性與現(xiàn)實(shí)特性，以頻率特性Δ的形式進(jìn)行比較。

圖3 組件的理想特性與實(shí)際特性

由圖3可知在頻率較低的范圍，組件幾乎依照理想性動(dòng)作，頻率一旦變高組件的現(xiàn)實(shí)特性

從理想特性大幅偏離，因此選擇電子組件時(shí)必需針對該組件實(shí)際使用信號頻率范圍，可以完全發(fā)揮理想性動(dòng)作為前提選用，亦即可以使該組件在使用目的下的頻率范圍內(nèi)以接近理想性動(dòng)作。如圖3所示頻率較高處，電容幾乎完全電感化(inductor)Δ，即使想用濾波器(filter)Δ消除噪訊，由于該現(xiàn)實(shí)特性限制，濾波器可能無法達(dá)成消除噪訊的預(yù)期目標(biāo)。同樣的信號線在電路圖上擁有零阻抗(zero impedance)的理想特性，不過現(xiàn)實(shí)信號線則一定具備阻抗Δ(圖4)。

圖4 信號線具備阻抗

阻抗(impedance)內(nèi)部若有電流流動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生電壓(圖5)，該電壓就是一般所謂的「噪訊」。阻抗為電感(inductance)時(shí)阻抗值為 jωL，電流的頻率( ω )一旦變高，對高頻噪訊電流而言成為無法忽略電感造成的電壓。此處請讀者注意，筆直的一般信號線具備電感，電線呈環(huán)狀卷繞時(shí)同樣具備電感，尤其是刻意使電感變大的線圈(coil)Δ。類似這樣即使電路圖中未標(biāo)示，實(shí)際存在的電路稱為「電路圖未標(biāo)示的電路」，這點(diǎn)請讀者務(wù)必牢記在心，因?yàn)椤鸽娐穲D未標(biāo)示的電路」概念非常重要，它對日后處理EMI問題具有潛在性影響。

圖5 電流在阻抗內(nèi)流動(dòng)時(shí)的特性

信號同樣有各種形式，例如摩爾斯符號也是信號的一種。電氣性信號分為交流與直流兩種，直流Δ(考慮期間)屬于一定的信號，相對的交流Δ則是隨著電流流動(dòng)方向變化的信號。雖然圖7是電流的波形，不過電壓的波形也相同。所謂交流是指平均值為0，正端(plus)與負(fù)端(minus)呈對稱性波形而言。圖7(b)是交流的代表正弦波形，正弦波形可用下式表示：

i = sin ( ω x t ) ω : 角速度

角速度對周期 具有以下關(guān)系: ω = 2π / T 頻率 可用下式表示: 頻率的單位是 Hz (Hertz)。

圖7 電流的波形

正弦波形的交流為正弦波交流，最具代表性的交流單純交流時(shí)，一般是指正弦波交流，不過交流卻不限定是正弦波交流，根據(jù)以上述定義者全部都是交流，圖8是常見的交流電波形。

圖8 常見的交流電波形

正弦波形除了上述特性之外還需考慮它的位相Δ，一般信號并不是單純的交流，它是變化復(fù)雜任意波形的信號(圖9)。任意波形的信號可以用直流成份與多數(shù)(彼此頻率相異)正弦波形相加方式表示(圖10)。

圖9 一般信號常見的波形

圖10 任意波形的信號

表示某個(gè)信號包含哪些頻率成份與百分比，稱它是該信號的頻率特性，信號包含的頻率 ( f ) 有上限與下限的限制，信號包含的頻率范圍稱為該信號的頻域(頻寬或是頻幅)，雖然頻寬也可以用絕對值 ( Δf ) 表示，不過一般都以信號頻率的百分比 ( Δf / f ) 表示。此外，整合組件、組件的電路，決定輸出、入之間哪些頻率成份作何種變化等特性，稱它為組件、電路的頻率特性。頻率特性具備兩種含意，通常頻率特性從橫軸取頻率的對數(shù)，縱軸為 刻度。圖11是組件、電路的頻率特性范例，該圖是LC濾波器Δ的頻率特性，由于LC濾波器的特性取決于QΔ定數(shù)值，因此該圖可能顯示LC濾波器的各種的特性。

圖11 LC濾波器Δ的頻率特性

電阻(符號為 R)屬于可以限制電氣流動(dòng)的電子組件，嚴(yán)格來說它并不是單純的阻抗體而是電氣阻抗體。水等流體同樣有阻抗稱為流體阻抗，流體阻抗比電氣阻抗復(fù)雜。此處假設(shè)電阻為

R，施加于電阻兩端的電壓為V，在電阻內(nèi)部流動(dòng)的電流為I，下列奧姆法則成立：

V = R x I

不論是交流或是直留奧姆法則都成立，兩者主要差異交流的場合使用實(shí)效值，所謂實(shí)效值是指電力變成直流與等價(jià)的值而言。

圖12 奧姆法則的特性

假設(shè)振幅 ( 最大值 ) 為 ，在正弦波實(shí)效值Vrms可用下式表示：

電容器屬于具備儲(chǔ)存電荷能力的電子組件，假設(shè)電荷量(電氣量)為Q，電容器的容量( capacitance )(靜電容量)為C，如此一來下式成立：

C = Q / V

電流是單位時(shí)間的電荷移動(dòng)量，因此用時(shí)間將 CQ = V 微分變成下式(理想特性)微分方程式，接著解開該微分方程式變成下式：

式中的 為虛數(shù)( -1的平方根)Δ，數(shù)學(xué)上以 i 表示虛數(shù)，不過電氣方面會(huì)與電流的 i 混淆因此使用 j，式中的 ω 表示信號的角速度。假設(shè)信號的頻率為 f ，圓周率為 π ，如此一來角速度 ω 可用下式表示：

換言之角速度與頻率呈比例，雖然角速度不是頻率，不過與頻率呈比例關(guān)系，因此經(jīng)常被當(dāng)作與頻率相同意義使用，有時(shí)甚至將頻率當(dāng)作角速度單位表示，此時(shí)稱它為角頻率。此處假設(shè)：

如此一來：

它與上述奧姆法則相同的關(guān)系成立，式中的 Z 相當(dāng)于阻抗 R 的定數(shù)，根據(jù)上式可知 Z 隨著交流的頻率改變，亦即它具備頻率特性(電容的頻率特性為Δ)， Z 又被稱為電容的阻抗(impedance)，換言之阻抗Δ是將直流阻抗擴(kuò)建成交流的概念。檢測阻抗時(shí)如果檢測對象包含電解質(zhì)的話，此時(shí)若以直流檢測由于電池作用會(huì)產(chǎn)生很大的誤差，為防患未然通常都使用交流檢測該阻抗。例如檢測醫(yī)學(xué)用白老鼠發(fā)情期的***阻抗檢測器必需檢測實(shí)質(zhì)阻抗，因此以交流檢方式測阻抗。此外，頻率特性對交流有所謂的「flat」，阻抗不會(huì)隨著頻率變化。電感Δ(線圈，符號為 L)

(理想特性)的直流阻抗同樣是0，不過對交流它反而會(huì)限制電氣的流動(dòng)。假設(shè)電感的阻抗為 L ，如此一來下式成立：

解開后變成：

式中的 ( j x ω x L ) 就是電感的阻抗，它的頻率特性剛好與電容相反(電感的頻率特性為Δ)，此外整合電阻、電容、電感的電路(例如濾波器)同樣擁有阻抗，它的頻率特性非常復(fù)雜。

電容器是利用電界、電感的磁界作用構(gòu)成的組件，電容器以電界的形式儲(chǔ)存能量(energy)，相形之下電感則以磁界的形式儲(chǔ)存能量，不論是電容器或是電感都是儲(chǔ)存能量的組件，相形之下電阻則是消費(fèi)能量的組件。變壓器是利用兩組線圈的磁界相互結(jié)合體，將其中一方的電壓傳遞至另一方，該相互結(jié)合以感應(yīng)系數(shù)(inductance)表示，因此被稱為相互感應(yīng)電感。

圖13 變壓器的動(dòng)作原理

連接負(fù)載阻抗的場合下式成立：

此外：

b.傳輸電氣性信號

外來噪訊必定存在傳遞路徑，該路徑在電路圖中未標(biāo)示的情況非常多。接著要探討圖14兩條相互平行信號線的特性。兩條線相互獨(dú)立時(shí)，理論上電氣性信號的噪訊不會(huì)傳遞過來，不過兩條信如果相互平行時(shí)，其間就會(huì)有浮游容量(stray capacitance)，噪訊會(huì)藉由浮游容量傳遞，電路圖中未標(biāo)示的電路亦即浮游容量幾乎隨處可見，因此又稱為浮游容量Δ。 此外，相互平行兩線之間還有相互電感，噪訊也會(huì)利用相互電感傳遞。相互直交信號線的電容與相互電感，若與相互平行信號線比較，相互直交信號線的電容與相互電感一般都可以忽略無視。信號在空中以電波(電磁波)形式傳遞，電波是整合電界與磁界的結(jié)果，天線除了將電波發(fā)射到空中稱為放射，天線還可以攫取空中的電波。至于電氣導(dǎo)體也具備天線效應(yīng)，即使相隔一段距離相互成為天線，噪訊會(huì)透過放射傳遞。上述現(xiàn)象電路圖中都沒有標(biāo)示或記載，不過噪訊會(huì)通過電路圖中未記載的電路傳遞，它還包含伴隨的信號，經(jīng)過信號線傳遞的噪訊。