【導(dǎo)讀】如導(dǎo)體傳導(dǎo)和共模第一講所述，當(dāng)噪聲通過電纜傳輸時，成分中有普通模式和共模。同時也表明，噪聲電壓的產(chǎn)生以及電子設(shè)備接地中噪聲電流的流動被稱為共模噪聲。
需要考慮的接地結(jié)構(gòu)
(1) 共模噪聲少的接地
若要降低因電流驅(qū)動模型導(dǎo)致的共模噪聲，降低接地阻抗是很重要的，這樣信號返回電流才能順暢流動。需要特別注意有返回電流流經(jīng)包含高頻成分的信號（如時鐘信號）的接地。本章節(jié)概述了會造成很多問題的一些接地結(jié)構(gòu)示例 [參考文獻(xiàn) 7]。
圖12(a)是低噪聲理想接地的示例。如圖所示在信號線下方搭建一個接地層允許信號返回電流在信號線下方返回，這樣能減少共模噪聲。接地層覆蓋整個IC，而不僅僅是信號線。
請注意圖中展示了接地層，但是在多層基板中，電源層和接地層以相同方式工作。在下面容易產(chǎn)生噪聲的例子中，也必須注意避免電源層采用此結(jié)構(gòu)。
(2) 容易產(chǎn)生共模噪聲的接地示例
圖12(b)到(d)為容易產(chǎn)生噪聲的接地結(jié)構(gòu)示例。必須注意避免使用這樣的結(jié)構(gòu)。
圖12(b)是接地線而不是接地層的情況。這種形態(tài)常見于非多層基板結(jié)構(gòu)中，但是會產(chǎn)生較強(qiáng)的共模噪聲，如圖4的測試結(jié)果所示。
(3) 接地層有狹縫時
圖12(c)為接地層上有狹縫凹口時的情形。如果所圖所示多個狹縫在信號線下面重疊，將妨礙信號的返回電流，間隙的兩端都會產(chǎn)生電壓。盡管 乍看之下好像有接地層，但這種結(jié)構(gòu)忽略了接地層的作用。如果狹縫在信號線側(cè)相互連接，如圖13(a)所示，可以減少產(chǎn)生的噪聲。
在這種結(jié)構(gòu)下，當(dāng)有著較多噪聲的接地被分隔開時，或者在電源層次上搭建了多個電源層時，就容易產(chǎn)生噪聲。布置具有較多噪聲的信號線（如時鐘信號），確保狹縫不會重疊。[page]
(4) 穿過多個接地層時
圖12(d)展示了信號線通孔穿過多層的狀態(tài)。信號返回電流經(jīng)過離信號線最近的層面，但是如果有多層，返回電流可能無法順暢流動。圖中顯示信號線穿過接地和電源層時的狀態(tài)，但是在穿過兩個接地層時情況也相同。
當(dāng)信號穿過多層基板正反面時，結(jié)構(gòu)如圖所示。若要抑制產(chǎn)生的噪聲，兩層（當(dāng)如圖所示其中一層為電源層時，有一個去耦電容器）之間必須在靠近信號通孔的地方相互連接，如圖13(b)所示。
圖12 具有很多噪聲的接地結(jié)構(gòu)示例
圖13 改進(jìn)的接地結(jié)構(gòu)示例
[page]當(dāng)線路突出屏蔽時
(1) 當(dāng)中心導(dǎo)體突出同軸電纜時
通過擴(kuò)展電壓驅(qū)動模型，如果電壓施加到兩個長度不同的導(dǎo)體，始終會產(chǎn)生共模電流。
例如，即使是使用被視為理想傳輸線的同軸電纜，如果線芯如圖14一樣突出，外側(cè)導(dǎo)體會感應(yīng)到共模電流，整個電纜會作為天線發(fā)射噪聲。這也可被視為一種電壓驅(qū)動模型。
圖15給出了將20厘米同軸電纜連接到20MHz時鐘信號及在中心導(dǎo)體端部外露3厘米時測量噪聲的測試結(jié)果。這表明即使只外露了3厘米，也發(fā)出了很強(qiáng)的噪聲。
圖14 當(dāng)同軸電纜端部外露時的共模電流流動
圖15 當(dāng)中心導(dǎo)體外突3厘米時噪聲發(fā)射的變化
(2) 整個屏蔽變成噪聲的天線
圖15(b)表明噪聲發(fā)射的峰值出現(xiàn)在100到500MHz的較低頻率范圍內(nèi)。中心導(dǎo)體外露長度為3厘米，λ/4處的頻率為2.5GHz，因此表明這部分很難成為單極天線。
可以認(rèn)為500MHz或更低頻率主要是從更大尺寸的同軸電纜所發(fā)射的。如果認(rèn)為同軸電纜中感應(yīng)到了共模電流，如圖14所示，就更容易理解同軸電纜成為天線的機(jī)制。
即使如章節(jié)4-3-16中圖4-3-27所示短電纜從屏蔽罩突出，也可以將其視為與圖14中的結(jié)構(gòu)一樣進(jìn)行說明。但是，章節(jié)4-3-16中圖4-3-27的示例又有所不同，因為共模電流包括在屏蔽罩中而不是圖14的外側(cè)導(dǎo)體中。[page]
(3) 即使是小孔也會破壞屏蔽
本測試模擬了線路進(jìn)出電子設(shè)備的屏蔽罩時的狀態(tài)。如果線路如圖16(a)所示進(jìn)出屏蔽，即使線路只有幾厘米長，也會導(dǎo)致屏蔽感應(yīng)到共模噪聲。在這種布局下，穿過線路的孔只有幾毫米，屏蔽可能被破壞了。
為防止屏蔽罩感應(yīng)到共模噪聲，如圖16(b)所示在線路經(jīng)過屏蔽的地方安裝一個EMI靜噪濾波器，阻止噪聲進(jìn)出。
圖16 因線路經(jīng)過屏蔽被破壞
公共阻抗噪聲
(1) 公共阻抗導(dǎo)致的電路干擾
電路中多個電路共用電源和接地。盡管理想情況下電源和接地線路為零阻抗，事實上它們?nèi)杂兄浅Ｐ〉淖杩埂９沧杩乖肼?[參考文獻(xiàn) 2] 是指共用區(qū)域內(nèi)的阻抗導(dǎo)致電路的部分電流影響其他電路的情況。公共阻抗噪聲也是一種共模噪聲模型。這與上述電流驅(qū)動模型不同，因為其中有多個電路，考慮的不是電感而是阻抗，且包含除了接地之外的其它線路。
例如，在圖17中，從圖中左側(cè)供應(yīng)電源以運行電路1和電路2。電路1和電路2共用電源與接地，且有著公共的阻抗Zp和Zg。
當(dāng)較大電流流經(jīng)電路1時，由于公共阻抗導(dǎo)致的電壓下降，電源和接地電壓發(fā)生改變。因此電路2接地和連接到此接地的電纜會產(chǎn)生共模噪聲。
在圖中，電路1被定義為噪聲源，但即使電路2正在運行，也會在相同的效應(yīng)下產(chǎn)生公共阻抗噪聲。在這種情況下，噪聲從電路2傳輸?shù)诫娐?。
圖17 公共阻抗噪聲
(2) 減少公共阻抗噪聲
如圖18所示，有多種方法可通過公共阻抗減少噪聲，包括:
(a)使用較粗的線，以減少共用區(qū)域內(nèi)的阻抗
(b)各電路使用獨立的電源和接地線路，以消除共用區(qū)域
(c)使用去耦電容器限制電路1電流
(a)與章節(jié)2所述的電流驅(qū)動模型具有相同的噪聲抑制效果。
(3) 各電路使用獨立的電源和接地線路
(b)方法使用電源點作為基準(zhǔn)點，且各電路連接獨立的接地和電源線路。其中沒有共用線路，消除了公共阻抗噪聲。
例如，當(dāng)需要控制較大電流的電路（如電機(jī)驅(qū)動電路）與在較弱信號上運行的電路結(jié)合時，就需要使用獨立的電源和接地。[page]
(4) 單點接地
在方法(b)中，接地線從基準(zhǔn)點連接到各終端電路，被稱為單點接地（更準(zhǔn)確地說，這是因為并聯(lián)連接形成的單點接地）。這個設(shè)計原則用于具有相對較低頻率的模擬電路。
除了上述的減少共模阻抗噪聲之外，單點接地也可防止因終端電勢差異導(dǎo)致的不正確運行。有關(guān)單點接地的詳細(xì)信息，請參考技術(shù)資料 [參考文獻(xiàn) 3,8,9]。
單點接地需要大量線路，這就意味著在制作如圖18(b)所示的PCB時，由于空間的限制，線路寬度要減小。這會導(dǎo)致高頻范圍內(nèi)阻抗增加。另外，在 電路間傳輸信號時（例如從電路1傳輸?shù)诫娐?），接地的設(shè)計，即信號返回路徑會很困難。為此，該方法并不常用于數(shù)字電路。
(5) 去耦電容器
圖18(c)展示了針對電源使用去耦電容器的方法。通過限制電路1和去耦電容器之間的高頻范圍電流，可以防止對電路2的干擾。
在電容器運行的高頻范圍內(nèi)，去耦電容器是一種有效的方法。若要提高有效頻率的下限，就需要增加電容器的靜電容量。
為減少數(shù)字電路中的共模阻抗噪聲，一般在通過增粗線路來降低接地阻抗后，使用一個去耦電容器，如圖18(a)所示。
圖18 減少公共阻抗噪聲
連接具有不同平衡水平的傳輸線
(1) 平衡電路和不平衡電路
到現(xiàn)在為止，接地主要被描述為電壓基準(zhǔn)點，但是在數(shù)字電路等不平衡電路中，接地也會作為信號電流的返回路徑。
一般而言，傳輸信號的傳輸線包括平衡電路和不平衡電路。這兩種電路的區(qū)別在于相對于接地分配電壓的方式，如圖19所示。
圖19展示了當(dāng)線路電壓為1V時接地電壓的分配方式。在(a)平衡電路中，每條線路的電壓為0.5V，但符號相反。相反，在(b)不平衡電路中， 外側(cè)導(dǎo)體電壓為0V，而中心導(dǎo)體的電壓為1V。如圖所示，不平衡電路的特征在于總電壓集中于中心導(dǎo)體，但外側(cè)導(dǎo)體電壓為0V。
圖19 平衡電路和不平衡電路
[page](2) 連接具有不同平衡水平的電路
如圖20所示直接連接兩個電路，將平衡電路的一條線路連接到不平衡電路的接地，這意味著施加了一半的信號電壓。接地中產(chǎn)生了電壓并被轉(zhuǎn)換為共模噪聲 [參考文獻(xiàn) 5]。此時，電路觸點從普通模式轉(zhuǎn)換為共模，反之亦然。這就是模式轉(zhuǎn)換 [參考文獻(xiàn) 1]。
圖21給出了三種情況下噪聲發(fā)射的測量結(jié)果: 當(dāng)20MHz時鐘信號(a)連接到同軸電纜，(b)連接到平衡電纜和(c)在中間從同軸電纜變換為平衡電纜時。在各種情況下，電纜的長度均為50厘米。如 圖所示，如果中間不變換電纜，噪聲發(fā)射的電平很低; 但如果變換了電纜，噪聲發(fā)射顯著增加。這是因為電纜觸點處的平衡發(fā)生了變化，這種情況會引起共模噪聲。
請注意，圖21中噪聲電平高于其它測試數(shù)據(jù)，因此縱軸也相應(yīng)地改變了。
圖20 連接具有不同平衡水平的線路
圖21 連接平衡電路和不平衡電路時的噪聲發(fā)射示例
(3) 平衡-不平衡轉(zhuǎn)化電路
這樣連接平衡電路和不平衡電路時，通常使用一個被稱為平衡-不平衡轉(zhuǎn)化電路的不平衡變壓器來防止模式轉(zhuǎn)換 [參考文獻(xiàn) 5]。圖22給出了一個轉(zhuǎn)化電路的示例。共模扼流線圈也可以大體上被視為平衡-不平衡轉(zhuǎn)化電路。也常使用電阻網(wǎng)絡(luò)或特定類型的諧振器。[page]
根據(jù)圖21(c)所示的測試，圖23給出了在電纜連接點使用共模扼流線圈的示例。通過使用共模扼流線圈，將噪聲發(fā)射抑制到約10到20dB的水平，以防止轉(zhuǎn)換為共模。
圖22 平衡-不平衡轉(zhuǎn)化電路的示例
圖23 使用共模扼流線圈抑制噪聲的示例
[page]意外的平衡-不平衡連接
(1) 意外的連接導(dǎo)致模式轉(zhuǎn)換
當(dāng)連接信號或已經(jīng)合理設(shè)計平衡的電纜（如同軸電纜或LAN電纜）時，將它們連接在一起很正常，這樣才不會破壞平衡。但是，一般電路的結(jié)構(gòu)不會考慮平衡，而且很多連接中可能會意外發(fā)生模式轉(zhuǎn)換，如圖20(a)所示。圖24給出了常發(fā)生這種情況的一個示例。
(2) 扁平電纜或柔性板
如圖24所示帶接地層的印刷電路板或數(shù)字電路可以被視為相對而言完全不平衡的電路。將扁平電纜或柔性板連接到這樣的電路時，如果電纜側(cè)有最小接地的結(jié)構(gòu)，可能就不會完全不平衡。
在這種情況下，流經(jīng)電纜的部分普通模式信號會轉(zhuǎn)換為共模，出現(xiàn)在電纜或電路板接地上并發(fā)射噪聲。
(3) 電源電纜或音頻電纜
在電源電纜、音頻電纜和其它類似電纜中，電源線和接地線的數(shù)量基本相同。在結(jié)構(gòu)上而言，這可以被視為平衡電路。當(dāng)如圖24所示連接到不平衡印刷電路板時，連接區(qū)域可能會發(fā)生模式轉(zhuǎn)換。
一般而言，只有直流電流或低頻會流經(jīng)這些電纜，因此即使真的發(fā)生模式轉(zhuǎn)換，也不會有什么問題。但是，當(dāng)高頻范圍噪聲流經(jīng)這些電纜時，可能會因模式轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生共模噪聲。例如，電源電纜發(fā)射開關(guān)電源的開關(guān)噪聲。
在連接了類似這些平衡電路的電纜區(qū)域，安裝一個適用于共模和普通模式的濾波器，無論是否發(fā)生模式轉(zhuǎn)換，都可以消除噪聲。
圖24 意外的平衡‐不平衡連接的示例
[page](4) 連接具有不同接地寬度的MSL
通過圖24中的扁平電纜或柔性板，無法建立足夠大的接地，導(dǎo)致既不是平衡也不是非平衡的劣質(zhì)傳輸線。印刷電路板也會遇到這種現(xiàn)象。
例如，如果使用MSL作為信號線，信號線下面的接地寬度較小，則不會形成像同軸電纜一樣完全不平衡的電路傳輸線。如果普通模式電流流經(jīng)這樣的線路，接地的電壓非常小。
當(dāng)如圖25所示連接具有不同接地寬度的MSL時，左側(cè)和右側(cè)MSL接地的電壓不同，會在接地之間產(chǎn)生電壓。
若要抑制共模噪聲，必須限制接地寬度，確保左側(cè)和右側(cè)MSL的接地寬度不會改變。或者，使用EMI靜噪濾波器提前消除流經(jīng)信號線的噪聲。
可通過電流分配系數(shù)概念解釋限制接地寬度隱含的理論。
圖25 連接具有不同接地寬度的MSL
