EMC-3---噪聲的傳輸和放大

引言：噪聲是一個不容忽視的重要問題，無論在哪個領(lǐng)域，都需要采取降噪措施來解決噪聲，電子設(shè)備的精度和分辨率受制于信噪比。此外，噪聲輻射過大的產(chǎn)品可能會對其他設(shè)備造成不利影響，在某些情況下甚至可能還會導(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》，在美國有FCC，在歐盟有英國等不同國家和地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)，除此之外，還有CISPR、IEC和ISO等國際標(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：EMC-1：噪聲的本質(zhì)和信號的頻譜）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，在電源線之間產(chǎn)生噪聲電壓，屬于電源線之間的差模噪聲，差模干擾侵入往返兩條信號線。由于往返方向相反而被稱為“差模（Differential mode）”，本質(zhì)是兩根線之間的信號差值。差模信號的特點是幅度相等，相位相反，所有的差模電流全流過負(fù)載。

共模噪聲：是經(jīng)雜散電容等泄漏的噪聲電流經(jīng)由大地返回電源線的噪聲，因電源的＋端和－端流過的噪聲電流方向相同而被稱為“共模（Common mode）”，在電源線間不產(chǎn)生噪聲電壓，而是電源線和基準(zhǔn)GND之間產(chǎn)生噪聲電壓，所以共模噪聲又稱兩根線分別對地的噪聲，共模信號的干擾信號侵入線路和接地之間。共模信號的特點是幅度相等，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。

如前所述，這些噪聲就是傳導(dǎo)噪聲，由于電源線中流動著噪聲電流，因此會發(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強(qiáng)度Ed可通過圖3-2中的公式來表示。Id為差模中的噪聲電流，r為到觀測點的距離，f為噪聲頻率。差模噪聲會產(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強(qiáng)度Ec可通過圖2-3中的公式來表示。Ic為差模中的噪聲電流，r為到觀測點的距離，f為噪聲頻率。共模噪聲同樣會產(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，那么就是線長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，走線長度越長則電場強(qiáng)度越高。這里注意兩個概念區(qū)別，即環(huán)路面積和回路面積。

2.差模/共模噪聲計算

為了更好地認(rèn)識每種噪聲引發(fā)的輻射特點，接下來代入實際數(shù)值來計算一下電場強(qiáng)度，電場強(qiáng)度的觀測點用藍(lán)色圓點來表示，其中探測距離1m，線路長20cm，寬1cm。

圖3-4：計算參數(shù)

差模噪聲：

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

共模噪聲：

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

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

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，就需要采取降噪對策。特別是在考慮輻射噪聲對策時，針對共模噪聲的對策尤為重要。原則性的降噪對策是差模噪聲要減少環(huán)路面積S（比如線纜采用絞合線），共模噪聲要極力縮短線纜長度。不過一定會遇到受配置和材料等因素限制的情況，此時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，差模噪聲的線纜環(huán)路面積、共模噪聲的線長是非常重要的因素。

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

3.串?dāng)_

串?dāng)_是由于線路之間的耦合引發(fā)的信號和噪聲等的傳播，兩根線（包括PCB的布線）獨(dú)立的情況下，相互間應(yīng)該不會有電氣信號和噪聲等的影響，但是兩根線平行的情況下，會因存在于線間的雜散（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line間的雜散電容導(dǎo)致電容耦合，line1產(chǎn)生的噪聲通過電容耦合在GND間產(chǎn)生噪聲電壓Vn：

圖3-6：感性串?dāng)_

通過line間互感的電感耦合，line端產(chǎn)生的噪聲通過電感耦合在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：平行的布線間會產(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。