噪聲的傳輸和放大

01 噪聲的傳輸和放大

噪聲是一個不容忽視的重要問題，無論在哪個領域，都需要采取降噪措施來解決噪聲，電子設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)品可能會對其他設備造成不利影響，在某些情況下甚至可能還會導致嚴重事故。

因此噪聲在世界各地均受到有關法律法規(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)的標準，除此之外，還有CISPR、IEC和ISO等國際標準，不符合這些安全標準的產(chǎn)品不能在相應的國家和地區(qū)出售，也不能進出口。

01 差模/共模噪聲

EMC中將電磁干擾EMI分為“傳導噪聲”和“輻射噪聲”兩種。其中，傳導噪聲根據(jù)傳導方式可分為“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，而是定義為傳導噪聲的流轉方式，如圖3-1是差模噪聲和共模噪聲的噪聲電流流向。

圖1：左--->差模噪聲傳導路徑；右--->共模噪聲傳導路徑

差模噪聲：噪聲源于電源線串聯(lián)進入，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和負極側同向流過。

如前所述，這些噪聲就是傳導噪聲，由于電源線中流動著噪聲電流，因此會發(fā)出噪聲。

圖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度Ed可通過圖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，假設其他因素固定，環(huán)路面積越大則電場強度越高。

圖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）是非常重要的因素。如圖和公式所示，假設其他因素固定，走線長度越長則電場強度越高。這里注意兩個概念區(qū)別，即環(huán)路面積和回路面積。

02 差模/共模噪聲計算

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

圖4：計算參數(shù)

差模噪聲：

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

共模噪聲：

設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＞

1.電磁干擾EMI可分為“傳導噪聲”和“輻射噪聲”兩種。

2.傳導噪聲可分為“差模（常模）噪聲”和“共模噪聲”兩種。

3.關于輻射噪聲，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遠大于差模噪聲。

03 串擾

串擾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）獨立的情況下，相互間應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，所以串擾也可以理解為感應噪聲。

圖5和圖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5：容性串擾

通過line間的雜散電容導致電容耦合，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6：感性串擾

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，串擾的效果將增加。

＜小結＞

1.平行的布線間會產(chǎn)生串擾。

2.串擾的因素有雜散（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。