共模噪声产生

导体传导和共模第二讲：共模噪声产生【导读】如导体传导和共模第一讲所述，当噪声通过电缆传输时，成分中有普通模式和共模。

同时也表明，噪声电压的产生以及电子设备接地中噪声电流的流动被称为共模噪声。

在本章节中，我们将着重于接地中噪声的产生，并研究产生共模噪声的一些机制。

在实际电子设备中，产生共模噪声的机制非常复杂。

因此，不能通过简单的模型进行阐释。

这里介绍的模型包括带有复杂数值的元件，如浮动静电容量，所以它们很难集成到设计中。

但是，了解这些机制对设计低噪声电子设备非常有用。

产生共模噪声的示例(1) 当电缆连接到时钟信号接地时图1展示了当20MHz时钟信号通过5厘米MSL（微带线）传输时，在30MHz到1GHz 的频率范围内和3米距离处测量噪声发射。

图 1(a)给出了仅使用一个基板的测量结果，而图1(b)给出了将两根25厘米电缆连接到接地的结果。

据此可以推论，当电缆连接到接地时，整体长度为1/2波长频率（本例中为250MHz）附近，噪声发射增大。

因此，可以说将导体（如天线）连接到PCB的接地会增加噪声，这与章节5-2中图5-2-2所示的情形一致。

换言之，可以认为共模噪声被此接地感应到了。

（图1中的测试使用了MSL两端均接地的基板。

这并非常规MSL的结构。

但是，本章节中还是称其为MSL。

）(2) MSL在接地中也有噪声在本测试中，使用内置3V电池的3厘米×3厘米小型屏蔽罩内的振荡电路产生了时钟信号，以便中和除电缆和MSL以外元件所发射噪声的效果。

此设备的外观如图1(c)所示。

其中的信号发生器也在后续测试中被用作噪声源。

这里使用的MSL与理想信号线路类似。

如图所示，基板正面和背面变成导通的接地层，从根本上防止接地中产生电压。

这样可以假设噪声是由哪种机制产生的吗？如何抑制产生的噪声呢？图1 产生共模噪声的示例电流驱动型模型(1) 高接地阻抗高导致共模噪声在第一个模型中，我们将研究为什么会因为高接地阻抗而在接地中产生电压。

此模型被称为电流驱动型[参考文献 5,6]。

图2表明，当信号来回经过接地时，左右接地中因为接地阻抗产生了电压。

噪声随着接地阻抗的变大而增强。

而且，这种阻抗主要是由有接地模式的电感产生的。

(2) 接地线很细时图2表明，当接地不是接地面而是很细的接地线时，接地电感增加。

产生噪声也会增强。

图3给出了当图1中的MSL替换为接地较窄的基板时的测量结果。

相比图1，可以发现噪声显著增强，而且噪声发射的速率远远超过了 CISPR22的限值。

此电平接近章节2-4（天线直接连接到数字电路）中得到的电平。

这表明接地都可能成为一个主要的噪声源。

这种基板表示不良接地。

同样地，噪声很多的接地可以被称为脏接地。

图2 电流驱动模型图3 接地不良的基板发射噪声的示例(3) 接地模式作为偶极子天线这时我们可以假定连接到接地的电缆作为偶极子天线运作，如图4(a)所示。

我们也可以认为，流经此天线的电流类似于图4(b)中所示的电流，其中一部分信号电流为形成绕路的成分，经过浮动静电容量却不直接经过信号线下面的接地。

同样地，当电流在不同于原路径的路径上流动时，就会变成共模噪声的来源。

通过在旁路中加入电缆和接地，此模型可以扩展并变为类似于图5中的模型。

图5中的模型解释了在电缆中流动的共模电流是如何产生的，参见章节5-2中图3(b)。

图4 电流路径和接地发射噪声的示例图5 通过电缆传导共模电流的模型(4) 减少共模噪声随着电流和接地阻抗的增加，电流驱动型中的共模噪声增强。

因此，要抑制共模噪声，可以:1(i)降低接地阻抗1•接地线为平板状1•在基板下放置金属板（称为接地层）并加强接地1•靠拢接地与信号线（以增加信号线和接地之间的互感）1•缩短接地线路（缩短返回电流的路径，必须缩短信号线）2(ii)减少电流2•增加负载阻抗2•使用滤波器去除不需要的高频率范围成分(i)中所述措施指的是加强接地。

但是，如图1中的简单测试所示，即使是在信号线下面使用具有稳定接地层的MSL，仍会产生少量的共模噪声。

这是因为，只要没有极其大的接地面，就会产生细微的电感。

电压驱动型模型(1) 在无流动电流情况下产生噪声在电流驱动型模型中，因为通过接地的电流流动而产生电压。

因此，在没有流动电流时应该就不会产生噪声。

但是，在真实电子设备中，即使信号线前面没有连接任何元件，也会频繁地产生共模噪声。

换言之，即使没有电流流动，也会因施加到信号线上的电压而产生噪声。

例如，图1中的测试移除了负载（50Ω终端）。

图6显示了阻止电流流经信号线时噪声的变化。

(a)表示有负载的情形，而(b)表示无负载的情形。

没有负载时，噪声减弱。

但是，仍有220MHz噪声。

这一点无法通过电流驱动型模型清楚地解释。

图6 没有电流时产生噪声的示例(2) 共模电流流经浮动静电容量仍然存在的噪声可通过电压驱动型模型来解释。

图7简化并描述了电压驱动型[参考文献 5,6]。

当两个平行导体连接到噪声源时，具有相同导体长度的部分成为传输线。

即使导。

但是，体前未连接任何元件，还是会有较少电流流经线路间的浮动静电容量CDM因为此电流为普通模式，噪声发射会减弱。

但是，如果其中一个导体变长，噪声源的一半电压会施加到该导体上。

这会与另一个导体形成一种偶极子天线。

电压驱动型模型允许使用从传输线突出的导体以这种方式形成天线。

这时，在天线中流动的电流会流经浮动静电容量C，如图所示。

ant图7 电压驱动模型(3) 接地越宽，共模电压越低图7描述了这样一种机制: 如果将更长的线路作为数字电路的接地，共模电流会流经数字电路的接地（如图8(a)所示）。

即使信号电流和接地阻抗都非常小，但由于信号线中存在电压（噪声源），于是产生了电流。

在这种情况下，关于接地中产生的共模噪声电压，应该作何考虑？通过改动图8(a)中的模型，各信号线和接地都应考虑朝向地线的浮动静电容量，如图8(b)所示。

的电压变成共模电压。

施加到此模型接地电容Cgnd在图8(b)中，随着接地浮动静电容量C的增加（也就是说接地尺寸增大）而降gnd的减小，共模电压变小。

一般而言，如果增大接低，信号线的浮动静电容量Csig地尺寸来加强接地，共模噪声会减少。

通过图8(b)所示模型就可理解这一点。

图8 将电压驱动模型应用于数字电路的示例(4) 共模噪声流经电缆的机制如果我们考虑将电缆接至这样的接地时，可发现共模电流会流经电缆（如图9所示）。

可以假定此模型通过朝向地线的浮动静电容量回到噪声源。

如果电缆这样连接到接地，一部分共模电流（如图8(a)中箭头所示）将流过比图9更大的路径。

一般而言，将电缆连接到有噪声的接地会增加噪声发射的强度。

此模型展示了这个现象背后的机制。

此模型解释了电缆中流动的共模电流是如何产生的，如章节5-2中图5-2-3(b)所示。

为对应章节5-2中的图5-2-3，图8和图9中电流箭头的方向相反。

但实质上是相同路线。

图9 通过电缆传导的共模电流在电压驱动型模型中，即使电流不流经信号线或接地，且没有接地阻抗，只要信号线中存在电压（噪声源），共模电流就会流经浮动静电容量。

(5) 减少共模噪声为有效减少电压驱动型中的共模噪声（接地中产生电压），需要增加Cgnd同时降低Csig 也可以通过降低图7和图8中的Cant来减少噪声电流。

下面是有效达到这个目的的具体方法:3(i)稳定接地电势3•扩大接地且为平板状（增加C gnd）3•靠拢信号线和接地（降低C sig）3•缩短信号线，避免不必要的突出（降低C ant和C sig）4(ii)降低电压4•降低驱动电压4•使用滤波器去除不需要的高频率范围4•在有浮动噪声源（散热器）时连接到接地5(iii)降低噪声源的浮动静电容量C ant5•避免误将有强烈噪声的元件靠近导线和金属。

大多数噪声抑制技术与电流驱动型模型中使用的技术一样。

(6) 通过加强接地抑制噪声在如图1所示的噪声测试中，可以观察到同时连接了电流驱动型噪声和电压驱动型噪声。

无论采用哪种模型，降低和稳定接地阻抗都是非常重要的。

例如，图10给出了通过将MSL的宽度延长到50毫米加强接地得到的噪声测量结果。

如果您使用多层基板等搭建一个足够大的接地层，可通过这种方式抑制共模噪声。

图10 通过加强接地抑制共模噪声(7) 使用EMI静噪滤波器抑制噪声即使基板接地不良，也可以使用合适的EMI静噪滤波器消除噪声，从而抑制共模噪声。

图11给出了使用具有图3中不良接地的基板时在时钟信号（噪声源）中使用π型EMI静噪滤波器的示例。

尽管此滤波器用于普通模式，但可以将其布置在噪声源后面（在转换为共模之前），从而有效抑制共模噪声。

此时，还必须尽可能地降低噪声源和滤波器之间的接地阻抗。

对于此测试而言，仅在噪声源和滤波器之间使用MSL。

如果能在真实电子设备中以这种方式找到噪声源，即使基板接地不良，也可使用普通模式EMI静噪滤波器来抑制噪声。

图11 在接地不良的基板中使用滤波器抑制噪声4. 需要考虑的接地结构(1) 共模噪声少的接地若要降低因电流驱动模型导致的共模噪声，降低接地阻抗是很重要的，这样信号返回电流才能顺畅流动。

需要特别注意有返回电流流经包含高频成分的信号（如时钟信号）的接地。

本章节概述了会造成很多问题的一些接地结构示例[参考文献 7]。

图12(a)是低噪声理想接地的示例。

如图所示在信号线下方搭建一个接地层允许信号返回电流在信号线下方返回，这样能减少共模噪声。

接地层覆盖整个IC，而不仅仅是信号线。

请注意图中展示了接地层，但是在多层基板中，电源层和接地层以相同方式工作。

在下面容易产生噪声的例子中，也必须注意避免电源层采用此结构。

(2) 容易产生共模噪声的接地示例图12(b)到(d)为容易产生噪声的接地结构示例。

必须注意避免使用这样的结构。

图12(b)是接地线而不是接地层的情况。

这种形态常见于非多层基板结构中，但是会产生较强的共模噪声，如图4的测试结果所示。

(3) 接地层有狭缝时图12(c)为接地层上有狭缝凹口时的情形。

如果所图所示多个狭缝在信号线下面重叠，将妨碍信号的返回电流，间隙的两端都会产生电压。

尽管乍看之下好像有接地层，但这种结构忽略了接地层的作用。

如果狭缝在信号线侧相互连接，如图13(a)所示，可以减少产生的噪声。

在这种结构下，当有着较多噪声的接地被分隔开时，或者在电源层次上搭建了多个电源层时，就容易产生噪声。

布置具有较多噪声的信号线（如时钟信号），确保狭缝不会重叠。

(4) 穿过多个接地层时图12(d)展示了信号线通孔穿过多层的状态。

信号返回电流经过离信号线最近的层面，但是如果有多层，返回电流可能无法顺畅流动。

图中显示信号线穿过接地和电源层时的状态，但是在穿过两个接地层时情况也相同。

当信号穿过多层基板正反面时，结构如图所示。

若要抑制产生的噪声，两层（当如图所示其中一层为电源层时，有一个去耦电容器）之间必须在靠近信号通孔的地方相互连接，如图13(b)所示。