原创 PCB线路上的噪声

PCB线路上的噪声

    当发现数字电路出现电磁干扰现象后，主要的原因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，但却不知道采取何种手段来解决.为了达到消除噪声的目的，有必要首先明白这些噪声是如何产生的。

　　1，电源线上的噪声

　　比较典型的门电路输出级，当输出为高电平时，Q3导通，Q4截止；当输出为低电平时，Q3截止，Q4导通。这两种状态都会在电源与地之间形成高阻抗，这样就限制了电源的电流。

　　而当状态发生变化时，暂时会有Q3和Q4管同时导通，这时在电源和地之间形成了短暂的低阻抗，产生了30～100 mA的尖峰电流。当门输出电平从低变为高时，电源不仅要保持输出电流，还要给寄生电容充电，使这个电流峰值达到饱和。由于电源线有不同程度的电感，因此当电流发生突变时，则产生感应电压。这就观察到在电源线上的噪声。由于存在电源线阻抗，所以会造成电压的短暂跌落。

　　2．地线上的噪声

　　当产生上述尖峰电流的同时，地线上也会流过电流，特别是当输出电平从高变为低时，寄生电容放电，地线上的峰值电流更大。由于地线总有不同程度的电感，也会感应出电压，这就形成了地线噪声。地线和电源线上的噪声不仅会使电路运行不好，还会产生较强的电磁辐射。

　　形成的电源线、地线噪声电压波形。

　　·“Icc”（电源上电流）：在不同的输出状态时，幅值是不同的。稳定时，电流也稳定。

　　当输出从低变为高时，瞬间短路，电流增加，同时给寄生电容充电，电流更大；当输出电平从高变为低时，瞬间短路，电流增加，但不给寄生电容充电，因此电流较输出电平从低变高时要小。

　　· 电压“Vcc”（电源上电压）：当Icc发生突变时，电源线的电感L会产生感应电压“Ldi/dt”。

　　“Ig”（地线电流）：电源线上的电流与电路中寄生电容放电而形成的电流。输出稳定，电流稳定。当输出电平从低变高时，瞬间短路，电流增加。当输出电平从高变低时，瞬间短路，电流增加，同时寄生电容放电，电流峰值较输出电平从低变高时更大。

　　“Vg”（地线电压）：当“Ig”发生突变时，地线的电感L会有感应电压“Ldi/dt”产生。

　　虽然解决地线噪声电压的方法可以在PCB线路板上设置电源线网格来减小电感量，但要占有大量的布线空间。为了减小电源线电感量，可采取下面的方法：

　　采用储能电容，其作用是为芯片供给电路输出状态发生变化时所需的大电流，这样就减小了感应出的噪声电压，避免了电流突变。储能电容将电流变化限制在较小的范围内，减小了辐射，所以在PCB线路板上使用电源线网格或电源线面（电源系统具有很小的电感）时增加一些储能电容。

　　因为储能电容是为芯片提供瞬态高能量，所以在布线阶段要尽量靠近芯片，也就是使储能电容的供电回路面积尽量小，或使储能电容与芯片电源端和地线端之间的走线尽量短。

　　芯片与储能电容之间的走线长度是芯片自身引脚的长度加上PCB线路板走线的长度。因此，要减小这两部分的总长度，就得选用电源引脚与地引脚靠得很近的芯片，避免使用芯片安装座、表面安装形式的芯片等。

　　另外，每个芯片的储能电容在放电结束后，都要及时补充电荷，为下次放电做好准备。为了减小对电源系统的骚扰，可通过称为二级储能的电容来提供电荷。当PCB线路板上的芯片较少时，一只二级储能电容安装在电源线的入口处就可以了，该二级储能电容的容量应为芯片储能电容总容量的5倍以上。如果PCB线路板上芯片较多，每5～10片设置一个二级储能电容。这个电容应该使用钽电容，并且要求串联电感尽量小，不要使用铝电解电容而导致内部电感的产生。