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1、1高速数字电路设计与噪声探讨高速数字电路设计与噪声探讨目 录一、引言一、引言2二、高速电路二、高速电路22.1 什么是高速电路什么是高速电路.22.2 高速数字电路设计高速数字电路设计.32.3 高速数字电路设计中存在的噪声干扰高速数字电路设计中存在的噪声干扰.3三、电磁干扰三、电磁干扰43.1 电磁干扰的概念与抑制措施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变电所抗电磁干扰的措施.6结束语结束语8致谢致谢8参考文献参考文献82高速数字电路设计与噪声探讨高速数字电路设计与噪声探讨姓名：
2、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 年代已进入深亚微米时期，如：IC 芯片的最小线宽为 0.18m，芯片尺寸为 800mm2时的 DRAM 容量可达
3、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。二二 、高速电路、高速电路2.12.1 什么是高速电路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
4、？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） ，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3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
5、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。2.22.2 高速数字电路设计高速数字电路设计（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 峰值电流。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 ICIC 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
6、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。2.32.3 高速数字电路设计中存在的噪声干扰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（1）接地反弹。它主
7、要是源自于电源路径以及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。（2）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
8、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4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
9、与布线差异所造成的。三、电磁干扰三、电磁干扰3.13.1 电磁干扰概念与抑制措施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
10、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。电磁干扰源耦合路径受扰装置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）5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
11、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
12、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
13、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
14、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，6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
15、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
