标签: 数字振荡器

　　 来自手机、数字振荡器甚至荧光灯的噪声都会困扰电子设计。应了解这种噪声产生的原因，掌握提高系统的抗射频干扰能力的方法。 　　要 点 　　RF源将能量传送进电缆、PCB（印制电路板）走线和IC中。 　　RF敏感性现象的诊断需要技巧。 　　最佳技巧是在源头消灭噪声。 　　屏蔽是一种高成本的权宜之计。 　　精心布局和良好的系统设计可以提供最好的RFI（射频干扰）防护。 　　源源不绝的 RF 能量流在吞食着电子系统。这些能量有些来自于系统的附属副产品；或其它 RF 源的偶发辐射能，如无线电与雷达。有些 RF 源相当强大而隐蔽，以致会在普通连线（如构成扬声器音圈的磁性导线）中产生噪声。对于消费者的家庭音响系统来说，噪声顶多是让人感觉讨厌。但 RF 噪声会造成机器功能混乱，使飞机仪表出现故障，从而危及人身安全。因此，欧盟与美国都对供应商在当地销售的产品建立了 RFI（射频干扰）测试。欧盟在十多年前建立了 CE（Conformit　Europnne）抗扰度测试，而工程师很快明白了通过 CE 要比通过美国的 FCC（联邦通信委员会）噪声辐射测试难得多。Microchip Technology 公司技术研究工程师 Steve Bible 说：“工程师没把这当回事，后来却真成了他们的麻烦。他们处在一种实时困境中。当他们做了一个不良的设计，就很难让他们相信它是不好的。他们希望找到一种有效的方法能让自己通过测试，可惜世界上还不存在这种方法。” 　　为使系统具有强大 RFI 抗扰能力，必须了解系统将遭受到多少 RF 源的干扰。电力网在将电能传送到你家中的同时，还会发射 50 Hz 或 60 Hz 的射频波。你的手表有一个辐射能量的 32 kHz 晶振。荧光灯使用的电子镇流器工作在 40 kHz。交通信号灯的闭环传感器会以 50kHz ~ 100kHz 频率工作。在更高频率下，你很快会遇到“恶意辐射源”，FCC将其定义为射频站、电视台，以及各种私用、公用和军用无线电，其中最麻烦的是手机。雷达系统与外来军用系统对频谱的依赖甚至超过了手机。宇宙射线也会产生问题（参考文献 1）。Analog Devices 精密线性产品部系列产品总监 Steve Sockolov 表示，很难帮助客户解决某个 RFI 敏感性问题，因为在一个信号路径中存在着数百个牵扯到一只放大器的通道，还必须关注持续的源频率。为给客户提供精密测量电路的帮助，Analog Devices 开发了 AD8556 传感器信号放大器，它的功能等效于 AD8555 放大器，但在输入脚、基准脚和箝位脚有 EMI（电磁干扰）滤波器。这些滤波器帮助抑制很宽频率范围内的 RFI。 　　并非所有 RFI 源都需要关注。前面提到的晶振工作在相对较低的频率下，只发射少量功率。还有些频率源可能是问题，也可能无关痛痒。例如，将一支 FET 用作同步降压稳压器中的低端开关。FET 封装的外壳连接到开关节点，并使整个电源电压摆动（图1）。由于该节点工作在电源频率，可能它会辐射 RF 能量，但情况可能并非如此。要辐射 RF 就必须有电流的流动。聪明的设计者会用封装的管脚承载电流，并用封装的翼片吸收电路的热量，这样就可以降低FET温度，尽量减少RF辐射。 　　解决抗扰问题的一种方法是停止 RF 源。当数十年前汽车工程师在汽车中首次加装收音机时，他们就知道了这种技术（见附文《讨厌的 RF》）。他们很快就懂得，要阻挡收音机的噪声是个多么困难的过程，而在源头清除噪声则是一种有效的方法。工程师在振荡器上增加电容实现这个目标。电容能抑制二极管切换时的尖峰，降低循环电流，从而减少噪声（参考文献 2）。这些技术的应用结合紧凑的布局，可帮助通过 FCC 的辐射测试。采用这些方法亦减少了造成抗扰问题的一个 RFI 来源。 　　RFI 中的最大问题是一般无法控制污染系统的RF源，如在手机中遇到的射频源，它工作在高频下。这种 RFI 可以深入设计的很多部分：电缆、PCB（印制电路板）走线，甚至 IC 自身。另外，手机已无处不在，它们通常就放在你身边，甚至在你正在工作的设计内。有一些故事会说明这种状况：思科系统公司的一名工程师 Bob Thomas 报告说，他将自己的手机放在自己 2006 年本田车的杂物盘上，手机开机时，辐射到收音机中的噪声要高于收音机的音乐声。思科的另一名工程师 Steve Abe 指出，他把手机放在自己的 Palm Zire PDA 上，当有人呼入时 Zire 会重新启动。FM 发射器制造商 Aerielle 的一名工程师 Francis Lau 称，他家中的立体声音响会在接手机电话时发出嗡嗡声。 　　要弄清楚为什么手机会成为音频的 RFI 源，我们必须复习一下 RF 传输协议。NADC（北美数字蜂窝）电话系统采用的是 TDMA（时分多址）协议，它会将多个数字传输信道（即语音数据）复用到多个时间槽内。一串六个时间槽组成一个 40 ms 的帧。在一个全速率传输信道中，用户在每个帧内发送两次，即被分给第一个时间槽的用户要在第四个时间槽内再发送一次。由于每帧发送两次，手机会拾取到一个看来像 20 ms、50 Hz 周期的方波（图 2）。 　　与之相比，GSM（全球移动系统）通信协议规定的是每 4.6 ms 一次 33 dBm 发射，因此干扰高于 TDMA 协议，后者发射为 20 dBm（图 3）。图 2 和图 3 表示的是实际系统中的干扰，在这种情况下，GSM 干扰是 100mV，而 TDMA 手机为 5mV。在汽车收音机和普通收音机中听到的干扰并不是 900MHz 的突发信号，而是由于系统中的非线性而出现在 IC 甚至导线上的突发信号重复性包络。RF 专家 James Long 认为，所有电子器件都有发射能力，它是输入信号的一个幂级数。即：VOUT=VIN×k1+VIN2×k2+VIN3×k3，这是一个趋向于无穷大的级数，k 表示一个常数。于是会出现很多额外频率，包括解调的干扰信号基带。应用包括那些依赖于反馈的非线性电路降低失真的部分。在较高频率时不存在反馈效果，因此系统不能抵抗 RFI（参考文献 3、4 和 5）。 　　在模拟 IC 中有输入保护二极管和其它节点，它们会解调 PCB 走线与电源、地层拾取的频率，这种解调后的信号就表现为音频噪声。在 1 GHz 时，IC 本身不是普通 RF 辐射的有效天线。微小束线和电容对数十千兆赫的频率更敏感，远超过手机产生的激励频率。同种类型或来自不同厂家的不同 IC 表现也各不相同，具体要看输入电容或引线框电感的变化，但它们仍然易受 RFI 影响。为解决这个问题，美国国家半导体公司设计了用于抑制 RFI 的 LMV851 运算放大器。该公司设计了 EMIRR（EMI 抑制比）数值，用于量化 IC 各个管脚抑制 RFI 的程度（参考文献 6）。 　　FET和CMOS运放的输入结构不像双极放大器那样容易有解调效应。但 Microchip Technology 公司的首席应用工程师 Kumen Blake 指出，如果将输入驱动得足够高，CMOS 器件也会检测到 RF。他说：“即使 CMOS 也会反偏，并（在 RF 辐射中）产生一个晶体管结点。任何运放都可以将 RF 或微波能量转换为一个直流信号。很多客户不知道在遇到 EMI 问题时会看到何种征兆。直流漂移可以是一种征兆，功率电平的变化很可能意味RFI造成了某种 振荡。另一种征兆是信号失真，无论是频率变化或是表现为谐波失真。最糟的情况是：电路在任何时候都不工作。” 　　有些 IC 用输入结构的电阻对来自放大器内部的 RF 去耦。甚至一个小输入电阻也可以与放大器的 ESD（静电放电）保护二极管和其它结构的杂散电容一起工作，有效地将 RF 旁路到地。例如，Maxim 用这种技术为 LMX324 运算放大器提供 ESD 保护和 RFI 抑制能力（图 4）。它的副作用是电阻会限制带宽，并略微减少了相位裕度。 　　地层或电源层都有过高的阻抗，能够通过连接到该层的导线产生 RFI 接收或发射。不能假定一个采用环形接地层的 20 cm ×20 cm PCB 板是等电势的，即该层上的每个点都为相同电势（参考文献 7）。Glen Dash 是很多有关电子设备法律与标准文件的撰稿者，他曾在一块覆铜 PCB 的两侧焊了两根天线，并通过电路板上数字芯片的不正确走线产生出巨大的快速变化电流，从而造成大量 EMI（图 5）。当有经验的工程师看到一个公共层上焊接的伸缩式天线时，他可能会觉得系统不会辐射 RF，但他们错了。 　　 RF 敏感性规则 　　要理解 RF 敏感性背后的理论，就要知道三个一般性设计规则：低阻抗优于高阻抗；小回路优于大回路；短线优于长线。有些工程师认为，当所有招术全都不灵时，就必须将系统放在一个屏蔽外壳内，但这种方法既费钱，通常也不实用。Microchip 的 Bible 说：“如果设计者想避免这种费用，就必须做到良好的 PCB 布线。”考虑到空间中的一根线就是天线。如果该线的接地电阻是 1 MΩ，则线上电压的变动范围要远高于接地电阻为 5 Ω 的情况。高斯定律指示，两条承载信号的导线要靠近布放，而不是形成一个大的回路，因为较大回路意味着导线会从一个确定的 RF 场强中拾取更高的电压。当天线长度等于 RF 场的波长时，该天线能更好地工作。一端连接大地的 1 cm 导线在低于 1GHz 频率时沿其长度的信号电压为0V。在 900MHz 时，一根 3 英寸长的导线就成为一个1/4波长天线。甚至一个8波长天线也会给系统中带来相当大的RF能量。这些都强调了采用短走线和紧凑布线的重要性。遵守下列规则可以尽量减少敏感度和 RF 辐射： 　　* 所有电缆接地、电源层，或两者接在同一点。 　　* 传感器接地靠近传感器连接输入芯片的导线。 　　* 传感器线互相成对走线，即使传感器的一侧是地或电源。这种方法可以保证共模干扰不会成为放大器无法抑制的单端噪声。 　　* 在地层和电源层之间布放传感器走线，并以统一模式在两层之间布放去耦电容。 　　* 在元件功耗与产品功耗的限制范围内，使电路阻抗尽可能低。 　　* 布放电路时，要在可制造限度与功耗限制内，使用尽可能少的空间和最少元件数。 　　* 保持统一的地层，使用布局与布线规律确保将数字噪声排除在模拟电路之外。 　　* 将有大交流循环电流的电源电路以顶层铜箔为参考地，然后将它们捆绑连接到输出电容公共端所在的地层。 　　* 为每个需要的 IC 建立一个过滤后的电源。任何大于 1 英寸的电源层都对 RFI 敏感。 　　* 使用任意长度的电缆发送低阻抗信号。 　　* 使信号运行在两层之间的带状线中。 　　* 可能情况下，使用不依赖于地层或电源层的差分信号。 　　* 用 100 pF 电容过滤 RF。一只 0.1mF 电容的自感会使之在 RF 下没有作用。应使用制造商提供的阻抗图，以确保选择的电容在准备抑制的频率下有低阻抗（参考文献 8）。布局时可以为运放输入脚之间、信号路径电源脚以及其它敏感节点上的低值电容留出空间。 　　模拟设计的艺术在于如何为获得所需结果而作出折衷。很多设计者都用外露的信号层对 PCB 板作基本调试。在满足一些基本需求后，再将电源层和地层做在外面而形成原型板。这种方法将所有可能产生辐射或对 EMI 敏感的长走线放进一个由外层构成的高斯笼内。可以沿着边缘布放过孔，将各区域分隔开。过孔可以连接六层板的两个外层地，也可馈送到电源为某一外层的四层板的去耦电容。一个紧凑而低阻抗的布局，且认真考虑信号与数字系统的捆绑方法，这是一个很大的工作量，但对保证系统良好的 RFI 与 EMI 抑制能力至关重要。 　　如果无法消除 RFI 源，就必须确保它尽量少地耦合到自己的电路中。然后，为设计明智地挑选 IC 并仔细地确定 IC 的特性，可以改进 RFI 抗扰能力。 参考文献 1. Rako, Paul, “Measuring nanoamperes,” EDN, April 26, 2007, pg 42, www.edn.com/article/CA6434367 . 2. Rako, Paul, “Circulating currents: The warnings are out,” EDN, Sept 28, 2007, pg 50, www.edn.com/article /CA6372822. 3. White, Don, The EMC Desk Reference Encyclopedia, ISBN 0-932263-49-6, Don White Consultants Inc, June 1996. 4. Hare, Ed, and Michelle Bloom, Editors, The ARRL RFI Handbook; Practical Cures for Radio Frequency Interference: First Edition, ISBN-13: 978-0872596832, American Radio Relay League, February 1999. 5. Gerke, Daryl, and Bill Kimmel, EDN Designers Guide to Electromagnetic Compatibility, ISBN-13: 978-0750676540, Newnes, August 1999. 6. De Wagt, Gerrit, and Arie van Staveren, “A Specification for EMI Hardened Operational Amplifiers, Application Note 1698,” National Semiconductor, September 2007, www.national.com/an/AN/AN-1698.pdf . 7. Dash, Glen, “EMI: Why Digital Devices Radiate,” http://glendash.com/Dash_of_EMC/Why_Devices_Radiate/Why_Devices_Radiate.pdf . 8. “Application Notes for Multilayer Ceramic Capacitors,” pg 46, Kemet Electronics Corp, www.kemet.com/kemet/web/homepage/kechome.nsf/weben/6FB56FCB5EBB9053CA2570A500160913/$file/F3101ECerLdPerfChar.pdf . 　　 讨厌的RF 　　 一个破碎晶圆的故事 　　一家大型半导体设备公司照例遇到了严重的 EMI（电磁干扰）敏感性问题。机器对 EMI 过于敏感，英特尔甚至要禁止工人在车间使用收音机。这个禁令的起因是一位工人在机器旁按下了自己收音机的一个按键，造成机器的重新启动，最终损失了大量昂贵的微处理器。 　　当在该公司作咨询时，我注意到机械工程师在多个点将机器框架连接到了电源回路（或地回路），这是一种不良做法。他们应将编好的电源电缆屏蔽层（而不是返回电路）接到机器框架上。即使两根线有直流连接，很像家庭布线中的地线和中性线，它们的功能也不同。这些工程师让屏蔽悬浮，而将电源回线连接到机架上，就造成了一组接地回路。我说破了嘴皮，部门的领导（他过去曾是一名机械工程师）也不相信应将屏蔽层连接到机架上，而电源回路只能以一点连接到机器框架，也许还要用一只电感，使公共电路隔开机架上的噪声，并使公共电路中的噪声不能进入机架。这种方法可以使机器的接地成为一个可知系统，工程师可以对其作评估和控制，因此无论客户在哪里安装机器，都可以正常运行。 　　部门领导并不打算纠正电缆接地和电源回路问题，因为这个过程不但需要工程师修改电缆布局图，而且还要移动或增加机器框架上的孔，以配合电缆屏蔽环的端子。由于缺乏理解，再加上典型的大公司官僚惰性，该公司的 RFI（射频干扰）敏感性问题持续了很多年。 　　 另一个故事 　　我在为另外一家半导体设备制造商作咨询时，遇到了另一个 RFI 问题。这次我们试图获得 TUV（Technische 焍erwachungs-Verein，技术监督协会），以认证该机器的 CE（Conformit?Europ巈nne）标志。带着大多数抗扰度与 EMI 符合性问题，该机器正在码头上等待装船运往欧洲。抗扰度测试中的第一个问题是控制屏上出现静电和“雪花”。我们打算说服检验者这种静电不算故障。我们认为，尽管这不是希望的情况，但操作者仍能读取屏幕。得到对屏幕的让步后，我们继续使机器工作在 RF 辐射下。让我们感到恐怖的是，晶圆升降机撞坏在一块晶圆上，将其撞成数百个碎片。然后机器重新启动，回到正常状态。 　　TUV 检查人员不会允许这种过度敏感性。故障涉及一个电动部件，它可能有安全危害。我们对这个抗扰问题作了实验，很快发现我们用于晶圆定位的 Banner Engineering 传感器读数不对，或者不读取位置。我们在传感器导线上放置磁珠。结果是，虽然计算机不再重新启动了，但晶圆仍会被打碎。我们已经准备把问题责任算在 Banner 器件上。所幸，我们将情况告诉了检查人员，他问我们如何将传感器连接到计算机。我解释说，我们全程使用了屏蔽电缆，一直到进入有屏蔽的计算机机箱。TUV 检查人员问在电缆上是否有连接器。我说有一只，就在 Banner 尾端和我们电缆的始端。 　　情况是这样，设计电缆的机械工程师使用了红砖色的四脚 Amp 公司 MR（微型直角）连接器。两个脚用于电源和地，第 3 只脚用于传感器信号。它们都通过第 4 只连接到屏蔽上。问题是，他们在电缆两侧各撕开了 2 英寸的屏蔽层，然后将它捆起，压入管脚。连接器采用一种简单的塑料壳，本身不具备屏蔽功能。TUV 检查人员指着工程师从电缆上拉开的 4 英寸屏蔽层说：“在 RF 下，这就是一个开放电路。”另外，靠近屏蔽层的 4 英寸非屏蔽线有足够的长度导入高频 RF。我们改用金属壳的 9 针 D 形连接器，于是机器就顺利通过了 RFI 符合性测试。 　　 一个汽车的故事 　　30 年前，我在底特律做一名汽车工程师。我所在的公司遇到了很多 RFI 问题。首先，点火系统是用于排放控制的高能系统。其次，汽车的内挡泥板现在都是塑料品而不是金属的。第三，打算进口这些汽车的国家之一加拿大规定了严格的 RFI 发射法。最后，汽车上越来越多的电路都有 EMI/RFI 问题。为降低辐射，我们用一根接在车身引擎罩上的小接地搭扣将汽车引擎“接地”。我们仍然有高频 RF 噪声，这让许多人很困惑。 　　福特汽车公司的一名工程师 Ed Winstead 曾就职于 Army Radio Corps，他解释说，将一个大金属车罩的一角接地只能阻挡那些波长大于车罩尺寸的辐射。在数百兆赫以上频率时，汽车车罩可能已相当于不存在了，对屏蔽不起作用。对于辐射来说，重要的是在源头的抑制，而不是采用各种措施将其赶走。