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实用EMI噪讯对策讲座(2)——信号模式

我爱方案网| EMI,噪讯, 信号模式| 2011-11-30
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中心议题:
    *  信号与噪讯电路
    *  信号标准模式与一般模式
    *  信号一般模式的其它表示
解决方案:
    *  消除标准模式噪讯的方法
    *  消除一般模式噪讯的方法

本系列讲座共12篇,剩下6篇在文章最后:
实用EMI噪讯对策讲座(1)——基础物理篇
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010427
实用EMI噪讯对策讲座(2)——信号模式
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010428
实用EMI噪讯对策讲座(3)——噪讯与电洞
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010429
实用EMI噪讯对策讲座(4)——平衡
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010430
实用EMI噪讯对策讲座(5)——天线与噪讯放射
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010431
实用EMI噪讯对策讲座(6)——反射
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010432

a.电路


如图1所示信号通过二条信号线传递,亦即信号必需经过「往」与「返」才能形成电路,电路原文「CIRCUIT」是指「往」与「返」,因此中译时称它为「回路」,一般则以「电路」概括性称呼,信号若不是往与返一巡构成电路,理论上电流就无法流动。一般都误认信号线只有一条,主要原因如图2(a)所示,许多情况电路图都是以一条方式表示信号线所致。即使图面上只标示一条信号线,其实还有大地线(ground line)存在。有关ground的定义后面章节有详细说明,此处暂时以原文ground表示。如图2(c)所示该ground线属于共通折返线,因此一般电路图都未特别标示,顶多类似图2(b)简单标示ground符号而已。
  
图1 信号与噪讯的差异
 
图2 各种信号线形式

理想上信号线本身具备往与返两条线,即使对噪讯要求条件非常严苛时也是如此,因为无折返线理论上无法传输信号,虽然基于经济性考虑,电路基板上的布线数量越少越好,许多情况采用共通线设计方式,共通线最大缺点是抗噪讯特性非常弱,要求高抗噪讯特性设计时,各信号线大多使用两条线。
上述共通折返线亦即ground线,事实上它同时也是赋予电路动作基准电位的场所,反过来说能够赋予电路动作基准电位的场所,就是所谓的「ground」。通常相同一组信号线同时兼具信号共通折返线,与赋予电路动作基准电位场所两种功能,不过也因为信号线同时兼具两种功能,反而变成噪讯发生原因之一。

信号线在电路图上呈理想性的零阻抗(zero impedance),此时电流若在阻抗内流动的话就会产生电压,该电压就是所谓的噪讯(noise)。大地(ground)又称为地面(earth),通常两者经常被混合使用,不过本讲座原则上不使用地面(earth)一词,此外还将大地(ground)与接地两者含义分开使用,它只局限本讲座并非一般性请读者注意。

b.标准模式与一般模式

有关信号的传输方法,如图3所示信号线要求两条导线,因此设计上必需从信号源ΔES拉出两条线,使信号可以传递到接收器(receiver)。此处假设从基准电位ER=0输出的两条导线的电压分别是EA,EB,两条导线之间的电压为EN可用下式表示:
EN = EA - EB
以电压形式在两条导线之间传递信号称为「标准模式信号(normal mode signal)」,两条导线之间具有共通电压,两条导线的电压不相同时,共通电压定义如下:

 

 

 
 
式中的EC称为「一般模式信号(common mode signal)」,换言之一般模式信号就是指两条信号线内的共通电压。
 
图3 信号的传输方法

标准模式是指两条导线之间的电压,因此又称为差动模式(differential mode)或是正相模式,一般模式则称为同相模式。一般信号使用电压的情况非常多,因此接着以电压方式介绍各种信号模式。电流与电压同样有模式(mode)的区分,在两条导线内流动的电流,相互逆向流动时称为「标准模式电流」,相互以相同方向流动时称为「一般模式电流」。

c.一般模式的其它表示

利用两条导线传递信号时,可用上述方式表示信号模式,一般模式的定义如式(1)所示。信号线若是两条导线时,根据上述定义并无特别问题,然而信号的折返线是所谓的共通折返线,此时必需以图4的方式表示,一般模式信号则用下式表示:
EC = EB
   
图4 一般模式信号的表示方法

EB : 机器B的接地点电位
DA : 机器A的驱动器
机器B的接收器RA与机器A的驱动器DA之间,具有一般模式电压(EA-EB),如果该一般模式电压接收器RA的输入电压偏离接收器的动作范围,接收器就会误动作无法正确传递信号,由此可知接地电位的差可能会形成有害的一般模式噪讯,尤其是彼此相隔的电子机器,若在各自场地与大地连接,本身就是相当危险。彼此相隔等原因产生极大的一般模式噪讯时,采用正确的信号处理手段称为「绝缘」。
  
图8 彼此相隔机器的接地方法
 
 

 



消除标准模式噪讯的方法

预期的信号属于标准模式(normal mode),标准模式噪讯与信号属于相同模式,因此本质上无法从信号消除渗入的噪讯,标准模式噪讯的根本对策就是防止噪讯渗透,如果噪讯与信号的频率相异时,可以利用两者的频率差从信号消除噪讯,此外一般噪讯的频率比信号的频率高,所以使用低通滤波器(low pass filter)Δ消除噪讯(图9)。

图9 利用低通滤波器消除噪讯的方法

滤波器主要功能使特定频宽(频率范围)的信号通过,同时使其它频宽的信号衰减消除。所谓低通滤波器是指可以使低频宽的信号通过,消除高频宽信号的组件而言,相对的使高频宽的信号通过,消除低频宽信号的组件称为「高通滤波器」,使中间频宽的信号通过,消除高低频宽信号的组件则称为频通滤波器Δ(band pass filter)。

通常噪讯的频率比信号高,所以消除噪讯大多使用低通滤波器,简易型低通滤波器是由电阻Δ与电容Δ等基本电子组件构成;高阶低通滤波器Δ则使用RC滤波器Δ、电感Δ与电容Δ等基本组件。

上述滤波器主要是利用电容器的高频与低阻抗特性,使高频噪讯旁通(bypass)至电容器,不会流入滤波器下游端等效应。
 
图10 滤波器的分类

如上所述滤波器组合电感Δ与电容Δ等被动组件构成,因此称为被动型滤波器,增幅电路构成的滤波器则称为主动型滤波器,虽然后者可以产生更高的性能,不过增幅电路并不适合应用在噪讯滤波器,噪讯滤波器大多使用被动型,此外噪讯含有很高的频率,因此主动型滤波器的滤波动作有频率范围的限制。
在滤波器使信号通过的频率范围称为通过领域Δ,阻止信号通过的频率范围称为Δ阻止领域。理想上频率特性如图11所示,在通过领域呈扁平状(flat),通过领域与阻止领域的境界呈垂直状,然而实际上如图12所示虽然在低频通过领域呈扁平状,不过通过领域与阻止领域的境界附近却产生凹凸不平,呈有限倾斜无法变成垂直状。
 
图11 理想频率特性   
 

 

                       

图12 实际频率特性

如图12所示表示频率特性通常取横轴为频率(对数),纵轴以输出入振幅比dB表示,因此又称为「gain」。从通过领域到阻止领域为止的变化为连续性,为了将两者之间的境界定量化,所以将遮断(cutoff)频率定义成fc。

由图12可知遮断频率fc是从通过领域扁平状部位开始降低3dB左右的频率部位,图中的RC滤波器又称为1次滤波器,此处假设:
R : 电阻
C : 电容器
T : 时定数
如此一来:
T = RC
fc = 1/2 x π  x T
相较于横轴频率f,这种情况大多使用角速度Δω表示,该角速度ω是用正弦关数表示正弦波形时的sin(ω x t + φ)。由于ω=2 x π x f,这意味着频率 与角速度ω为比例关系,虽然单位不同却表示相同事物,类似这样相同意思使用角速度称为角频率。横轴频率特性以频率的对数表示,纵轴以dB表示的坐标图称为波特(Baud)线图。

此外滤波器的特性并不是滤波器本身决定,它与滤波器前后的电子组件与电路结构特性有依存性(互动关系)。

消除一般模式噪讯的方法

当信号与噪讯的频率范围相异时,一般模式Δ噪讯同样可以利用频率范围的差,再透过滤波器Δ消除噪讯。虽然图10的滤波器可以过滤标准模式,却无法消除一般模式,换言之图10的滤波器可以使高频信号通过电容器旁通,防止高频信号流入滤波器的下游。虽然图10中设有可以使标准模式旁通的信道,一般模式却未被旁通,如图13所示一般模式用滤波器设有可以使一般模式旁通的信道。此处请读者注意在图13一般模式信号的折返是「接地」,亦即一般模式信号的折返回到一般模式噪讯的发生源,该折返路径以接地方式居多,只有少数某些情况例外。
 
图13 一般模式用滤波器

由于一般模式噪讯与信号的模式Δ相异,因此可以利用模式的不同消除噪讯,典型范例如图14所示利用差动式接收器,差动式接收器Δ可以检测两个输入信号的电压差,若依照图14连接理论上它只接收标准模式拒绝接收一般模式。接收器如果超越该接收器决定的输入电压范围就不会动作,因此无法支持大的一般模式噪讯。
 
图14 差动式接收器
 

 

 
图15是single type的接收器,这种型式的接收器无法消除一般模式,single type接收器的输入只有一个,因此动作时会检测与大地(ground)的电压差,此时即使以两条线传递信号,它与接收器的连接变成图15的结构。

由于信号线具有阻抗Δ(图中的Z1、Z2、Z3),信号源ΔES的一般模式电压为EN,然而在接收器却变成E2=0。
 
图15 single type接收器

此时接收器的阻抗ZR非常大,因此接收器的输入变成E1=ES+EN,一般模式噪讯EN被加算至信号ES内。信号源的电压在接收器处,从信号源一直到接收器的阻抗Z1,与接收器的阻抗ZR被分压(图16)。,不过接收器的输入阻抗ΔZR比Z1大,因为通常都可以忽略。
 
图16 接收器的输入电压

某些情况一般模式噪讯会变成非常大的值,此时即使采用差动式接收器,然而接收器的输入电压超过接收器动作范围,因此会产生误动作,针对这种大一般模式噪讯的情况,必需使用其它方法,例如绝缘等对策方式。

本系列讲座共12篇,剩下6篇在文章头部:
实用EMI噪讯对策讲座(7)——失真
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010433
实用EMI噪讯对策讲座(8)——遮蔽Shield
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010434
实用EMI噪讯对策讲座(9)——Ground与电源
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010436
实用EMI噪讯对策讲座(10)——电源的噪讯
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010437
实用EMI噪讯对策讲座(11)——DC电源与Ground
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010438
实用EMI噪讯对策讲座(12)——筐体与筐体内的导线
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010439

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