电路和系统的噪声抑制技术.pptx
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1、引言引言电路、系统的干扰和抑制电路、系统的干扰和抑制目目前前在在工工业业设设备备和和控控制制系系统统中中大大量量应应用用着着模模拟拟电电路路。减减少少模模拟拟电电路路的的误误动动作作提提高高电电路路抗抗干干扰扰能能力力,是是电电子设备电磁兼容性技术的重要方面。子设备电磁兼容性技术的重要方面。电电子子装装置置和和设设备备通通常常采采用用模模拟拟和和数数字字电电路路混混合合系系统统 数字电路往往成为微弱模拟信号电路的噪声源;数字电路往往成为微弱模拟信号电路的噪声源;数数字字电电路路的的工工作作特特点点是是动动作作能能量量小小,翻翻转转速速度度快快、信信号号电电平平低低,所所以以外外部部电电磁磁环环
2、境境变变化化产产生生的的噪噪声声容容易影响到数字电路的正常工作;易影响到数字电路的正常工作;数数字字电电路路设设备备本本身身工工作作时时也也产产生生电电磁磁噪噪声声,几几乎乎都都与与脉脉冲冲信信号号或或时时钟钟脉脉冲冲的的重重复复频频率率、跃跃变变上上升升时时间和下降时间有密切关系。间和下降时间有密切关系。第1页/共53页本章内容本章内容本章内容本章内容电路与系统电路与系统电路与系统电路与系统中的中的中的中的EMCEMCEMCEMC模拟电路中的模拟电路中的模拟电路中的模拟电路中的EMCEMCEMCEMC问题问题问题问题1 1数字电路中的数字电路中的数字电路中的数字电路中的EMCEMCEMCEM
3、C问题问题问题问题2 2PCBPCBPCBPCB板中的板中的板中的板中的EMCEMCEMCEMC问题问题问题问题3 3嵌入式系统中嵌入式系统中嵌入式系统中嵌入式系统中的的的的EMCEMCEMCEMC问题问题问题问题4 4第2页/共53页华中科技大学电气与电子工程学院(2)(2)模数转换器的噪声抑制模数转换器的噪声抑制模数转换器的噪声抑制模数转换器的噪声抑制(1)(1)模拟电路抑制噪声的一般性措施模拟电路抑制噪声的一般性措施模拟电路抑制噪声的一般性措施模拟电路抑制噪声的一般性措施(3)(3)模拟量多路转换器的噪声抑制模拟量多路转换器的噪声抑制模拟量多路转换器的噪声抑制模拟量多路转换器的噪声抑制1
4、 1 模拟电路中的模拟电路中的EMCEMC问题问题第3页/共53页(1)(1)模拟电路抑制噪声的一般性措施模拟电路抑制噪声的一般性措施模拟电路抑制噪声的一般性措施模拟电路抑制噪声的一般性措施电路内部:电路内部:器件布置不可过密;器件布置不可过密;改善装置的散热条件改善装置的散热条件 分散设置稳压电源分散设置稳压电源 在配线和安装位置上尽量减少不必要的电磁耦合在配线和安装位置上尽量减少不必要的电磁耦合 尽量减少公共阻抗值尽量减少公共阻抗值 实行一点接地实行一点接地第4页/共53页(1)(1)模拟电路抑制噪声的一般性措施模拟电路抑制噪声的一般性措施模拟电路抑制噪声的一般性措施模拟电路抑制噪声的一般
5、性措施电路外部电路外部(针对来自电路外部的噪声源):(针对来自电路外部的噪声源):中高压电路附近的静电感应噪声中高压电路附近的静电感应噪声采取:对电子装置和引线采取:对电子装置和引线加接地的金属屏蔽、远距离传送信号的输入输出线用良好的接地加接地的金属屏蔽、远距离传送信号的输入输出线用良好的接地屏蔽,保证柜体电位与传输电缆电位一致、尽可能缩短信号线长屏蔽,保证柜体电位与传输电缆电位一致、尽可能缩短信号线长度、减少电路阻抗、对整个系统实行全屏蔽等措施度、减少电路阻抗、对整个系统实行全屏蔽等措施 强磁场对附近集成电路的影响强磁场对附近集成电路的影响采取:信号线远离产生电磁采取:信号线远离产生电磁感应
6、的电力线、使二者相互垂直、施加电磁屏蔽等措施感应的电力线、使二者相互垂直、施加电磁屏蔽等措施 高频装置、火花放电等产生的电磁波噪声、汽车点火拴噪声、高频装置、火花放电等产生的电磁波噪声、汽车点火拴噪声、大功率调频调幅电磁波、雷达波以及晶体管内部产生的高频噪声大功率调频调幅电磁波、雷达波以及晶体管内部产生的高频噪声采取:隔断噪声传递路径为主的屏蔽、更换产生较大干扰的采取:隔断噪声传递路径为主的屏蔽、更换产生较大干扰的元器件等措施元器件等措施 电网浪涌电压噪声电网浪涌电压噪声线路上设置各种滤波器、浪涌抑制器等线路上设置各种滤波器、浪涌抑制器等第5页/共53页1324寄生电容寄生电容(1)(1)(1
7、)(1)模拟电路抑制噪声的一般性措施模拟电路抑制噪声的一般性措施模拟电路抑制噪声的一般性措施模拟电路抑制噪声的一般性措施抑制地线干抑制地线干抑制地线干抑制地线干扰扰扰扰当门1的输出从高变为低时,会发生以下过程:寄生电容通过门1放电,很大的地电流流过地线阻抗,在门2的地线上形成地线电压,由于门2输出低电平,这个电压直接反应到门2的输出端,成为门4 的输入信号。当幅度超过门4的噪声门限时,导致门4 误动作。地线上的这些干扰不仅会引起电路的误操作,还会造成传导和辐射发射。为了减小这些干扰,应尽量减小地线的阻抗。注意:注意:对于数字电路,地线阻抗决不是地线电阻。例如,宽0.5mm的印制线,每英寸电阻为
8、12m,电感是15nH,对于160MHz的信号,其阻抗为9.24,远大于直流电阻。因此对于数字电路,减小地线电感是十分重要的。第6页/共53页(1)(1)(1)(1)模拟电路抑制噪声的一般性措施模拟电路抑制噪声的一般性措施模拟电路抑制噪声的一般性措施模拟电路抑制噪声的一般性措施抑制地线干抑制地线干抑制地线干抑制地线干扰扰扰扰总原则总原则:数字电路与模拟电路要分开接地,采用放射形、平面形等数字电路与模拟电路要分开接地,采用放射形、平面形等接地方式,避免使用单根接地线接地方式,避免使用单根接地线 对微弱模拟量电路实行全面覆盖的电磁屏蔽对微弱模拟量电路实行全面覆盖的电磁屏蔽 采用直流隔离措施采用直流
9、隔离措施第7页/共53页(2)(2)(2)(2)模数转换器的噪声抑制模数转换器的噪声抑制模数转换器的噪声抑制模数转换器的噪声抑制模数转换器有积分式、逐次比较式,使用最多的为模数转换器有积分式、逐次比较式,使用最多的为平方积分式,应注意:平方积分式,应注意:减小电源电压脉动(影响基准电压)减小电源电压脉动(影响基准电压)避免噪声侵入输入电路(尤其是高输入阻抗的模数转换器,避免噪声侵入输入电路(尤其是高输入阻抗的模数转换器,应在输入端设置箝位二极管,并采用放大器缓冲,抑制共模应在输入端设置箝位二极管,并采用放大器缓冲,抑制共模和差模噪声后再做模数转换)和差模噪声后再做模数转换)数字和模拟电路的地(
10、公共线)分开数字和模拟电路的地(公共线)分开第8页/共53页(2)模数转换器的噪声抑制模数转换器的噪声抑制积分电容的选择和屏蔽接地积分电容的选择和屏蔽接地金属聚丙稀电容,铜箔接地。金属聚丙稀电容,铜箔接地。电源频率对模数转换器的影响电源频率对模数转换器的影响日本购置美国测量仪的调试日本购置美国测量仪的调试情况:输入为零时输出信号零点摆动达情况:输入为零时输出信号零点摆动达3mV3mV,为满量程的,为满量程的2020,而在美国是正常的而在美国是正常的电源频率差异:美国按照电源频率差异:美国按照60Hz60Hz时具有最佳时具有最佳噪声抑制来设计时钟频率,其中噪声抑制来设计时钟频率,其中1414位模
11、数转换器的时钟频率位位模数转换器的时钟频率位983kHz983kHz,由,由1.966MHz1.966MHz的晶振产生;日本电源频率为的晶振产生;日本电源频率为50Hz50Hz,折算后,折算后晶振改为晶振改为1.6384MHz1.6384MHz,时钟频率降为,时钟频率降为819.2kHz819.2kHz,零点漂移降到,零点漂移降到0.1mV0.1mV以下,能正常工作。以下,能正常工作。旁路电容的重要作用旁路电容的重要作用集成电路电源并旁路电容,降低电源集成电路电源并旁路电容,降低电源的高频阻抗,有效抑制芯片的内部噪声和电源噪声。的高频阻抗,有效抑制芯片的内部噪声和电源噪声。输入电路的噪声输入电
12、路的噪声各级运算放大器前接低通滤波器各级运算放大器前接低通滤波器第9页/共53页(3)(3)(3)(3)模拟量多路转换器的噪声抑制模拟量多路转换器的噪声抑制模拟量多路转换器的噪声抑制模拟量多路转换器的噪声抑制多个模拟量做模数转换时采用多路转换器实现对模多个模拟量做模数转换时采用多路转换器实现对模拟量的切换(只需一个模数转换器)拟量的切换(只需一个模数转换器)半导体型(隔离式;集成电路式)半导体型(隔离式;集成电路式)集成电路式:易受共模噪声影响集成电路式:易受共模噪声影响 抑制干扰基本原则抑制干扰基本原则不产生、不传递、不响应不产生、不传递、不响应 采取措施采取措施加入共模扼流圈、变压器双重屏
13、蔽接地、光电隔加入共模扼流圈、变压器双重屏蔽接地、光电隔离、抑制高频噪声(根据采样频率要求,采用电容将前置放大器离、抑制高频噪声(根据采样频率要求,采用电容将前置放大器的频带变窄降低对高频噪声的响应能力;降低变压器带宽及增加的频带变窄降低对高频噪声的响应能力;降低变压器带宽及增加采样脉冲宽度)采样脉冲宽度)第10页/共53页华中科技大学电气与电子工程学院(2)(2)数字电路常见噪声和一般抑制措施数字电路常见噪声和一般抑制措施数字电路常见噪声和一般抑制措施数字电路常见噪声和一般抑制措施(1)(1)数字电路的噪声容限数字电路的噪声容限数字电路的噪声容限数字电路的噪声容限(3)(3)数字电路噪声抑制
14、案例数字电路噪声抑制案例数字电路噪声抑制案例数字电路噪声抑制案例2 2 数字电路中的数字电路中的EMCEMC问题问题第11页/共53页(1)数字电路的噪声容限数字电路的噪声容限直流电压噪声容限直流电压噪声容限交流噪声容限交流噪声容限能量噪声容限能量噪声容限第12页/共53页(2)(2)数字电路常见噪声和一般抑制措施数字电路常见噪声和一般抑制措施电源噪声电源噪声地线噪声地线噪声串扰串扰反射反射公共阻抗噪声公共阻抗噪声静电放电噪声静电放电噪声数字电路本身工作时产生的数字电路本身工作时产生的噪声噪声不能悬空输入端不能悬空输入端尽量缩短电源线、接地线尽量缩短电源线、接地线旁路电路靠近集成电路电源引脚旁
15、路电路靠近集成电路电源引脚RSRS触发器等集成电路的输入端和地线触发器等集成电路的输入端和地线间接入陶瓷电容以增强该器件的抗干间接入陶瓷电容以增强该器件的抗干扰能力扰能力大量数据信息同时传输和变化时注意大量数据信息同时传输和变化时注意抑制感应噪声,减少与其它控制电路抑制感应噪声,减少与其它控制电路间的串扰间的串扰第13页/共53页(3)(3)数字电路噪声抑制案例数字电路噪声抑制案例脉冲噪声的抑脉冲噪声的抑制制第14页/共53页(3)(3)数字电路噪声抑制案例数字电路噪声抑制案例脉冲噪声的脉冲噪声的抑制抑制第15页/共53页(3)(3)数字电路噪声抑制案例数字电路噪声抑制案例逻辑电路多余输入端的
16、处逻辑电路多余输入端的处理理数字逻辑电路中多余输入端的处理,一般都要求不悬空。如果简单的数字逻辑电路中多余输入端的处理,一般都要求不悬空。如果简单的将多余的输入端悬空,则成为一根天线,能直接接收辐射噪声,或通过将多余的输入端悬空,则成为一根天线,能直接接收辐射噪声,或通过漏电阻和分布电容接收外来噪声信号。而逻辑电路在其规定的频率范围漏电阻和分布电容接收外来噪声信号。而逻辑电路在其规定的频率范围内,一旦输入电平超过阈值电压,不论是正常信号还是噪声信号,都会内,一旦输入电平超过阈值电压,不论是正常信号还是噪声信号,都会使电路动作,尤其是对于内部含有存储元件的电路。使电路动作,尤其是对于内部含有存储
17、元件的电路。第16页/共53页(3)(3)数字电路噪声抑制案例数字电路噪声抑制案例逻辑电路多余输入端的处逻辑电路多余输入端的处理理对门电路一些建议的处理方法(以与非门为例):对门电路一些建议的处理方法(以与非门为例):(1)多余输入端接到单独的电源上。多余输入端接到单独的电源上。(2)在多余输入端串联一个在多余输入端串联一个1K10K之间的电阻,再接到电源之间的电阻,再接到电源Ucc上。上。(3)把多余输入端并联在正在使用的输入端上。这样可以加快响应速度,但把多余输入端并联在正在使用的输入端上。这样可以加快响应速度,但是信号源功耗增大,所以引起的电源噪声也会增大。是信号源功耗增大,所以引起的电
18、源噪声也会增大。(4)把多余输入端与不用的反相器输出端相连;不用的反相器因为也是多余把多余输入端与不用的反相器输出端相连;不用的反相器因为也是多余的,其输入端要接地。的,其输入端要接地。对于触发器类亦可采用类似的方法,分析其正常工作时的输出状态后,再将对于触发器类亦可采用类似的方法,分析其正常工作时的输出状态后,再将多余输入端接到电源或者地。触发器的输出端也需要注意抗干扰,在触发器多余输入端接到电源或者地。触发器的输出端也需要注意抗干扰,在触发器两个输出端(两个输出端(Q和和-Q)中仅只用一个输出端()中仅只用一个输出端(Q)时,为了提高触发器的抗)时,为了提高触发器的抗干扰能力,可将干扰能力
19、,可将-Q输出端对地接一个输出端对地接一个1000p的瓷片电容,而不是完全悬空,的瓷片电容,而不是完全悬空,这样这样Q输出端不易受噪声影响,避免误动作。输出端不易受噪声影响,避免误动作。第17页/共53页电源系统电源系统电源系统电源系统 数字电路常用电源数字电路常用电源 单边开关电源(脉冲调宽或脉冲调频式)单边开关电源(脉冲调宽或脉冲调频式)桥式开关电源(桥式开关电源(DCDCACAC变换整流滤波,半桥式、推挽式、全变换整流滤波,半桥式、推挽式、全桥式,桥式,PWMPWM方式稳压)方式稳压)抑制电源噪声一般措施抑制电源噪声一般措施不得将开关电源工频电源线与经开关电源整流后的直流输出线捆扎不得将
20、开关电源工频电源线与经开关电源整流后的直流输出线捆扎一起;一起;输出采用双绞线,充分利用其输出采用双绞线,充分利用其LCLC滤波作用滤波作用不要沿开关电源线敷设信号输入输出线不要沿开关电源线敷设信号输入输出线机壳接地与信号接地分开机壳接地与信号接地分开第18页/共53页电源系统电源系统电源系统电源系统 抑制电源噪声一般措施抑制电源噪声一般措施周密考虑冲击电流措施(开关电源输出的大容量滤波电容所致)周密考虑冲击电流措施(开关电源输出的大容量滤波电容所致)考虑高频滤波电容的安装位置考虑高频滤波电容的安装位置:启动开关电源时抑制输出的大容量滤波电容引起浪涌电流的一个实例。这个电路在电源端负极串联了一
21、个MOS管Q1。Q1通常情况下是断开的,R2拉低了其门级电平。外加输入电压时,通过R1为门极充电,Q1的充电时间和接通时间由于C1的存在而减慢。选择R1和C1的值,可使输入电容缓慢充电,以限制浪涌电流。输入电容充电完毕,Q1门极再充电,直至被稳压管限压,之后Q1则保持完全开通。有源浪涌抑制有源浪涌抑制有源浪涌抑制有源浪涌抑制电电路路路路EMIEMI滤滤波器波器波器波器/DC-DCDC-DC变换变换器器器器第19页/共53页华中科技大学电气与电子工程学院(2)(2)噪声的抑制噪声的抑制噪声的抑制噪声的抑制(1)PCB(1)PCB板上的噪声及由来板上的噪声及由来板上的噪声及由来板上的噪声及由来(3
22、)(3)串扰及其抑制串扰及其抑制串扰及其抑制串扰及其抑制3 PCB3 PCB板的板的EMCEMC及设计问及设计问题题第20页/共53页(1)(1)(1)(1)PCBPCBPCBPCB板板板板上上上上的的的的噪声以及由来噪声以及由来噪声以及由来噪声以及由来PCBPCBPCBPCB板板板板第21页/共53页地线和电源线上的噪声地线和电源线上的噪声当数字电路出现电磁干扰的问题,许多有经验的工程师会检查地线和电源线上的噪声,通常的结果是在电源线和地线上,用示波器可以观察到明显的噪声电压。虽然许多人可以断定这些噪声是造成电路电磁干扰问题的原因,但是不知道如何解决。因为,他们不知道这些噪声是如何产生的。第
23、22页/共53页地线和电源线上的噪声地线和电源线上的噪声Q1Q2Q3Q4R4R2R3R1VCC被被驱驱动动电电路路ICCI驱动驱动I充充电电I放电放电IgVg电源线上的噪声:电源线上的噪声:电源线上的噪声:电源线上的噪声:图中是一个典型的门电路输出级(图腾柱输出),当输出为高时,Q3导通,Q4截止,相反,当输出为低时,Q3截止,Q4导通,这两种状态都在电源与地之间形成了高阻抗,限制了电源的电流。但是,当状态发生变化时,会有一段时间Q3和Q4同时导通,这时在电源和地之间形成了短暂的低阻抗,产生30100毫安的尖峰电流。当门输出从低变为高时,电源不仅要提供这个短路电流,还要提供给寄生电容充电的电流
24、,使这个电流的峰值更大。由于电源线总是有不同程度的电感,因此当发生电流突变时,会产生感应电压。这就是在电源线上观察到的噪声。由于电源线阻抗的存在,也会造成电压的暂时跌落。第23页/共53页地线和电源线上的噪声地线和电源线上的噪声Q1Q2Q3Q4R4R2R3R1VCC被被驱驱动动电电路路ICCI驱动驱动I充电充电I放电放电IgVg地线上的噪声:地线上的噪声:地线上的噪声:地线上的噪声:在当电源线上产生上述尖峰电流在当电源线上产生上述尖峰电流的同时,地线上必然也流过这个的同时,地线上必然也流过这个电流,特别是当输出从高变为低电流,特别是当输出从高变为低时,寄生电容要放电,地线上的时,寄生电容要放电
25、,地线上的峰值电流更大(这与电源线上的峰值电流更大(这与电源线上的情况正好相反,电源线上的峰值情况正好相反,电源线上的峰值电流在输出从低变为高时更大)。电流在输出从低变为高时更大)。由于地线总是有不同程度的电感,由于地线总是有不同程度的电感,因此会感应出电压。这就是地线因此会感应出电压。这就是地线噪声。噪声。地线和电源线上的噪声电压不仅地线和电源线上的噪声电压不仅地线和电源线上的噪声电压不仅地线和电源线上的噪声电压不仅会造成电路工作不正常,而且会会造成电路工作不正常,而且会会造成电路工作不正常,而且会会造成电路工作不正常,而且会产生较强的电磁辐射。产生较强的电磁辐射。产生较强的电磁辐射。产生较
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