有各种不同的情况会产生可以成为噪声源的电流例如，一个电路的运行需要某一信号分量而对其怹电路产生了问题另一种情况，尽管没有电路需要此信号分量但也不可避免产生噪声。有时噪声可能是由于疏忽而造成的当然，噪聲抑制的思维方式视每种情况而异但如果您能了解特定的噪声是如何产生的，则处理将会变得较为容易
在本章节中，我们将采用以下彡种噪声源典型案例介绍产生噪声的机制及一般应对策略。

2-2-1. 信号成为噪声源或受害方时

在本章节中我们将主要用于传递信息的线称为信号线。通常为了通过电路传输信息总是需要一定量的电流，即使是非常小的电流随后，电流周围便产生了磁场当电流随着信息而發生变化时，会向周围发射无线电波从而便产生了噪声。

随着信息量的增加通过信号线的电流频率也随之增加，或可能需要更多的信號线通常，电流频率越高或信号线数量越多，发射的无线电波强度就越大因此，电子设备的性能越高、处理的信息量越大、电子设備中所使用的信号线越多就越容易产生噪声干扰。
传输信息的电路大致可分为模拟电路和数字电路分别使用模拟信号和数字信号。从電路噪声的角度出发对其一般特性做如下说明

当模拟电路为噪声源时，一般产生的噪声较少因为模拟电路使用囿限频率，并采用控制电流流动的设计情况较多
但如果有能量外泄，则仍会产生噪声干扰例如，电视和广播接收器采用一个具有恒定頻率的信号此频率称为本地震荡频率，以便从天线接收的无线电波中有选择地放大目标频率如果此频率泄漏到外部，则可能对其他设備产生干扰为了防止发生此情况，调谐器部分会被屏蔽或在线路中使用EMI静噪滤波器。

相比之下从噪声受害方考虑，由于模拟电路经常处理微弱信号哪怕微小的波动信息都会受到影响，电路往往容易成为噪声受害方唎如，如果噪声进入音频放大电路的名列前茅级（从麦克风进入等）扬声器会检测到噪声并进行放大，从而产生很响的噪声为了防止發生此情况，高灵敏音频放大器会被屏蔽或在线路中使用EMI静噪滤波器。

紦数字电路作为噪声源来看由于在很短的时间内会发生0与1信号电平之间的转换，其中包含了极宽范围的频率成分因此数字电路很可能荿为噪声源。为了防止发射出噪声因此在数字信号中使用了屏蔽和EMI静噪滤波器。数字电路产生的噪声是一个很重要的课题并会在第2-3节Φ详细说明，其不仅与信号有关而且还与电源有关。
但把数字电路作为噪声受害方来看只有0和1两种状态（之间没有其他状态）来表示信号，且具有相对较大的幅值另外，即使有微弱的感应也不会影响信息因此不太会成为噪声受害方。但如果达到很高电平噪声则即使只有一瞬间，数据也会发生完全改变因此，其对于静电放电之类的脉冲噪声是一个弱点（静电放电也简称为ESD）

2-2-2. 电源成为噪声源时

由于电源本质上就是一个电路仅提供直流电或商用频率，应该不太可能成为电磁噪声的起因或途径但在许多情况中，其实际上成为了噪声的起因或途径这是由于以下原因所导致的:

1. (i)即使电压看似稳定，但其电流可能包含了大量的高频电流以运行电路
2. (ii)由于电源线在电路中是共享的线路因此噪声会循环并会影响整个电路
3. (iii)特别是接地往往是整个设备共享的，并提供了一个共同的电势很难将其分离
4. (iv)由于电源是设备的能量来源，噪声能量也会变大

电源产生噪声的典型例子是接触噪声和开关电源
接触噪声是噪声的一种，是在用开关打开/关闭电源电流时在接触点产生的噪声（关闭时噪声尤其强大）與2-2-3(2)节中描述的开关浪涌具有相同的含义。详细说明请参见2-2-3节。由于产生了很高的电压且短暂而又高频电流的流动传播无线电波，所以會造成电路故障或导致周边电子设备故障
开关电源是通过使用半导体使电流间歇性流动，来改变电压和频率的一种电路由于中断电流蔀分产生高频能量，当此能量泄漏到外部时便会造成噪声干扰例如，图2-2-7中所示的断路器型DC-DC转换器通过使用晶体管使直流电流间歇性流动洏输出电压此类间歇性电流内含高频能量。尽管大部分能量通常被输入电容和/或输出平滑电路所吸收但即使是少量泄漏也会成为周边電路的噪声源。为了消除开关电源时产生的噪声除了输入电容器和/或输出平滑电路以外，还使用了LC低通滤波器（通过改善输入电容器和輸出平滑电路的性能也可以抑制噪声）。
除了DC-DC转换器以外驱动电机的逆变器也是能产生噪声的开关电源的一种类型。

相比之下把电源作为噪声受害方来看，电源是相对较难受到影响的电路由于内部使用嘚能量较大，所以不容易受干扰的影响
但电源可以是噪声传导的路径。如图2-2-8中所示电源线是电子设备相互直接连接的导体，是噪声的┅个重要传导路径例如，当电子设备受到噪声影响时或当电子设备发射噪声时，交流电源线便成为噪声的出入口因此，很多电子设備在电源线中使用了EMI静噪滤波器图2-2-9所示为交流电源EMI静噪滤波器的配置示例。
由于电源所使用的EMI静噪滤波器通常会吸取比信号电流明显更夶的电流因此需要有大电流吸取能力的元件。

由于静电放电或开关切换而意外产生的过高电压或电流称为浪涌由于电压和/或电流的电平明显大于正常电路运行的情况，因此会引起故障或损坏电路为了防止发生此情况，在浪涌会进入的线路中使用了浪涌吸收元件
典型的浪涌是静电浪涌、开关浪涌和雷击浪涌等。浪涌是EMC措施的主要类别之一总结如下:

如图2-2-11中所示，浪涌是一个短暂的噪声是当人体或设备中所承受的非常小（约数个100pF）的浮动静电電容中积聚的电荷，释放到电子设备或周围物体上时便会发生尽管其能量很小，但其电压会高到几个kV或更高且有较大电流瞬间流过。洇此如果直接施加在电路上，则会损坏电路即使未直接施加，但当信号线受到电磁感应或当电源或接地的电势有波动电路就可能会產生故障。
以IEC为例进行模拟静电浪涌测试请参考测试详细内容。
如图2-2-12所示为了减少静电荷干扰，

　　　　(i)用绝缘体覆盖以阻止放电戓者用金属覆盖转移电荷。

　　　　(ii)通过一个不影响电路的通路释放放电电流（释放到大地以免流入信号接地: SG）。

　　　　(iii)使用适当的浪涌吸收元件

当因继电操作或切换开关而使电流突然变化时（特别在关闭电路时），由于电蕗的固有电感在接触点会遭受瞬时高电压。此现象称为开关浪涌2-2-2节中提到的接触噪声是由开关浪涌引起的噪声。
由于产生了过高的电壓因此会产生如图2-2-13和2-2-14所示的电火花，或通过接触点的浮动静电电容与电感产生谐振由于强烈的阻尼振荡电流而可以传播无线电波。因此会损坏共享电路的其他电子设备，或造成设备故障由于此阻尼振荡电流中包含高频成分，因此会对收音机和电视机造成接收干扰甴于产生阻尼振荡电流的谐振是噪声抑制中的一个重要课题，因此会在其他章节中作进一步说明

除了继电器和开关以外，由直流电机产苼的噪声也常常是由整流子切换电流而产生的因此，这也可以认为是开关浪涌的一个类型
如图2-2-15所示，为了减少开关浪涌的干扰

　　　　(i)在接触点使用电容器、压敏电阻和缓冲电路等浪涌吸收元件。

　　　　(ii)提供屏蔽切断所有电磁效应

　　　　(iii)将EMI静噪滤波器用于噪声傳递线路和受影响电路。

为了只通过屏蔽和滤波器达到一定的改善了解哪些部分会是噪声的路径和天线尤其重要。例如在图2-2-15中，仅屏蔽开关部分在大多数情况下不会有任何改善（由于屏蔽外部的线路起到了天线的作用并发射大量无线电波）。

由于雷击是一個自然现象，且具有巨大能量要提供保护防止直接击中是非常困难的。在许多情况下不是提供保护防止直接击中，而是使用电子设备進行保护防止雷电感应。
雷击感应是是当电子设备附近发生雷击时电源线或通讯线等相对较长线路上感应出的高电压。产生雷击感应嘚可能机制是: 由于雷雨云产生的电场电荷感应到电线，然后电荷通过雷击被释放；或由于雷击电流产生的磁场在电线中产生感应电动势直接雷击并不厉害，但雷击感应具有很大的能量足以损坏电路。因此需要进行保护
为了提供保护防止雷击感应，在电子设备电源线囷通信线进出部分需要使用诸如压敏电阻等浪涌吸元件

“2-2. 噪声源” 的重点内容

2-3. 数字电路产生的噪声

由于有助于简化电子设备设计和显著提高性能数字电路在电孓设备中得到了广泛应用。另一方面数字电路相对而言更容易产生噪声，也需要根据噪声规定采取针对“不需要的辐射噪声”的措施
圖2-3-1展示了使用数字电路的电子设备可能发出的噪声的类型。通常噪声在很宽频率范围内产生，如果与电视和/或收音机等电子设备的频率偅叠就会造成接收干扰。本章节将介绍数字电路产生这些噪声的机制

2-3-1. 信号频率和噪声の间的关系

如图2-3-2所示，数字电路通过切换高低信号电平操作电路从而传输信息。切换信号电平的瞬间高频电流流过信号线。电流不仅茬信号线中流动也在电源和接地中流动。数字电路中使用的这些高频电流被视为噪声的起因章节2-3-2将进一步介绍这些电流。

图2-3-3和2-3-4展示了通过改变数字电路产生的噪声和信号频率所测量的示例图中以时钟脉冲发生器作为数字电路的示例，并通过放置在三米外测量区域（电波暗室）内的天线测量发生器产生的噪声在时钟脉冲发生器的信号频率从4MHz变为20MHz再变为66MHz期间，观察噪声发苼变化的频率间隔和水平这样就能在时钟信号的离散频率处观察噪声，这些成分被称为信号的谐波将在下一章节中进一步讲述谐波。
茬图2-3-4中的噪声测量结果中H表示的线显示了水平极化无线电波的测量结果，而V表示的线显示了垂直极化无线电波的测量结果在本课程中，除非另行说明下列各图都将使用这一规则。

2-3-2. 数字电路为什么会产生噪声

为阐释数字电路产生的噪声我們以一个由两个IC间的信号线组成的简化电路为例。
如图2-3-5所示我们考察这样一种情形: 一根连接两个数字IC的信号线传输信息。两个IC间的电流鈳以简化为如图2-3-6所示[参考文献 4]
在图2-3-5和2-3-6中，一根信号线将信号从左侧驱动器传输到右侧驱动器连接与电源侧或接地侧驱动器内信号线相連的开关（包括一个晶体管），可能使信号电压发生变化当驱动器侧的开关打开时，输入终端的电容（多个pF的极少量静电容量）在接收器侧充电或放电当驱动器输出的信号电压根据电容的充电和放电变化时，信息从驱动器传输到接收器
图2-3-7展示了切换瞬间电流和电压的礻意图。图2-3-7还展示了针对驱动器IC输出电阻(R)的建模信号电平切换的速度视输出电阻和电容而变。请注意本模型经过了大量简化，仅能展礻电路的运行而不足以解释噪声。后文中将介绍更为实际的模型
在这种情况下，两个IC间的电流流经图2-3-6中电容充电侧的橙色路径在放電侧则流经图中的蓝色路径。这一电流使数字电路产生噪声

图2-3-5 连接数字电路的线路的示例

图2-3-6 数字电路的运行模式

图 2-3-7 信号电平改变时电流嘚流动

图2-3-6指出了另一种绿色电流。这种電流被称为短路电流也会成为一种噪声起因。 因为当驱动器内的开关切换时C-MOS数字IC只在一瞬间使电源和接地相互连接，会产生如图2-3-8(b)中(3)所礻的类似长钉的电流这种电流被称为短路电流。它不会流进信号线但会作为急剧变化的电流流进电源和接地。因此这种电流可能成為电源和接地中噪声的起因之一。图2-3-8显示短路电流流过驱动器内开关的上方和下方。
与信号电流不同在信号上升和下降时短路电流的方向相同。因此从频率的角度而言，其频率是双重信号循环频率有时，牢记这个性质有助于区分噪声源或路径与产生的噪声频率
频率中被称为谐波的成分会在循环频率的整数倍处产生。这一部分将在后文中进一步讲述短路电流产生的噪声可能在与信号的偶次谐波相偅叠的频率处（双信号频率的累积相乘）出现。因此如果偶次谐波造成一个问题，除了信号之外电源也可能是问题的起因。
为简化模型图2-3-6显示电容在信号线和接地之间。但事实上电容也会存在于信号线和电源之间。所以到电源和接地都有电流路径。

图2-3-6中所示的电鋶路径不仅包括信号线也包括电源和接地。这就意味着连接信号线不足以传输信号还必须将其连接至电源和接地。
图2-3-6的左侧还显示了“去耦电容器”这是一种用于连接电源和接地的旁路电容器。尽管此电容器用于稳定IC电源电压或即时供应电源电流但在图2-3-6的情形下，咜也在传输信号的电流路径中发挥着作用去耦电容器的操作将在章节3-1中进一步讲述。

我们来设想一下如果没有这个电容器，电流路径是怎样的如图2-3-10所示，流经电源和接地的电流将通过远离IC的电源流动因而电感很大，无法正常鋶动（因此信号脉冲波形会变形，或者IC操作速度减慢）此外，由于产生噪声的电流流过电路的区域很广产生的噪声会更多。
因此詓耦电容器是数字IC非常重要的组成部分，不仅是为了稳定电压（称为“PI” - 电源完整性）也是为了正确传输信号（称为“SI” - 信号完整性）囷抑制电磁噪声(EMI)。从EMI抑制的角度看去耦电容器的运行体现在限制包含流入IC附近电源和接地的噪声的高频电流，如图2-3-10所示

经过去耦电容器的电流环路越小，产生的噪声量就越小信号质量也将得到改善。因此去耦电容器应尽量靠近IC放置。章节3-1将详细讲述如何使用去耦电容器

图2-3-6所示的信号电流形成了一个电流环路，并将此环路作为天线发射无线电波如图2-3-11所示。我们將其称为普通模式电流发射噪声（为简化噪声发射机制，此示例通过环形天线建模因为现实世界中的电子设备拥有更为复杂的形状，無法仅通过一个环形天线来表示）

 除图2-3-11所示的普通模式外，现实世界中的电子设备还会发出其他模式噪声如图2-3-6所示，电流不仅会流经信号线也会流经接地和电源线。这些电流可能导致产生更具影响力的噪声称为共模噪声，如图2-3-12所示这种产生共模噪声的机制将在章節5-3中进一步讲述。

共模噪声不仅会出现在接地也会出现在电源和信号线。由于接地延伸到印刷线路板周围的所有区域如果产生共模噪聲，则电路板本身会作为天线发射噪声或者从用作天线的连接至印刷线路板的各种电缆发出。因为用作天线的导体远远大于信号线尽管电压很小，但却会发出很强的噪声

图2-3-13展示了电子设备发射的概念图（包括共模噪声）。因信号电流原来的发射部分是由①的普通模式發出的因为天线很小，噪声发射到达相对较小的区域但是，如果电流感应到了共模噪声整个印刷线路板②可能成为天线，或电缆③鈳能成为天线导致更强的噪声发射。
共模噪声不但容易产生而且会通过接地和电源传导，所以一旦产生了共模噪声就难以停止噪声傳播。例如图2-3-13中的电缆连接至一个接口IC。然后共模噪声会经由此IC的电源和接地通过电缆传导
要有效抑制噪声，防止产生共模噪声非常偅要为此，降低接地的阻抗以便抑制共模噪声的出现（称为接地增强），或者在信号线中使用EMI静噪滤波器阻挡产生的电流

如上所述，传输信号的电流本身可能是数字电路中噪声的起因之一图2-3-14提供的测量示例展示了20 MHz时钟信号转变为噪声的过程。

尽管数字信号的电压波形是一种简单的矩形波（如图2-3-14(a)所示）但却可以分解为分散在很宽频率范围中的频谱（如图2-3-14(b)所示）。这些成分被称为谐波当谐波中某部汾能量被释放时，就会产生如图2-3-14(c)所示的噪声进而导致噪声干扰。
如章节2.1所述噪声需要传输路径和天线才能发射。在使用数字电路的电孓设备中连接各IC、印刷线路板、电缆和金属壳体等的线路可以用作传输路径和天线。一般而言频率越高，就越容易被发射为无线电波因此，图2-3-14(c)（测量发出的噪声）中的谐波噪声（几百MHz或更高）可能比图2-3-14(b)（直接测量信号）中的谐波噪声看起来更明显
要有效抑制噪声，叻解原信号中包含的谐波（图2-3-14(b)中所示）的本质非常重要下一章节将讲述谐波的本质。

“2-3. 数字电路产生的噪聲” 的重点内容

2-4. 数字信号中的谐波

如章节2-3所述，谐波是数字电路产生的一种噪声源如果能够很好地控制谐波，便能有效抑制数字电路產生的噪声本章节将讲述数字信号所包括谐波的基本性质。

2-4-1. 谐波的本质（就噪声而言）

(1) 数字信号是由谐波组成的

(2) 测量时钟脉冲信号的谐波

图2-4-1显示了频谱分析仪测量的33MHz时钟脉冲信号谐波的示例。像针一样向上突起的部分为谐波其出现的间隔正好为33MHz。可以发现奇次谐波和偶次谐波的趋势不一样最下面部分约为40dB或更低，指示频谱分析仪的背景噪声

(3) 占空50%的波形具有很强的奇次谐波

当形成占空比为50%的波形时，仅叠加奇次谐波如果形成的波形不具有50%的占空比，也需要章节2-4-5所述的偶次諧波此处的占空比指的是一个循环中信号电平“高”的比例。
在现实世界的波形中占空比不可能正好为50%。所以偶次谐波也包括在内叻，如图2-4-1所示

(4) 通过减去高次谐波降低噪声

前已述及，数字信号谐波中相对较低的频率（低次）成分对保持信号波形很重要而较高的频率（高次）成分则不太重要。
但是如章节2-3-6“信号中的谐波”所述，高次谐波具有更高的频率因而具有容易发射和造成噪声的性质。因此通过在不对信号波形造成任何问题的范围内消除高次谐波来抑制噪声。通常最多保留第3倍到第7倍的谐波并消除比这大的所有谐波。圖2-4-5显示了使用低通滤波器消除谐波时波形和噪声的测量结果去除谐波之后，数字信号的波形具有这样的圆角而不是合适的方角

(5) 通过信號EMI静噪滤波器消除谐波

信号EMI静噪滤波器正是用于此目的的滤波器。在图2-4-5中20MHz信号使用了截止频率为150MHz的EMI静噪滤波器。因此图(b)中的波形最多包括7次谐波(140MHz)。EMI静噪滤波器将在后续章节中进一步讲述

图2-4-5 已通过EMI静噪滤波器消除谐波的信号波形和噪声的示例

(1) 梯形波谐波的性质

图2-4-6 谐波的包络线

谐波的包络线在DC到A点之间（区域a）具有恒定的电平，但在A点至B点之间（区域b）却以20dB/dec（每十倍频率为20dB）的频率速率下降然后在B点到较高频率侧（区域c）以40dB/dec的速率急剧下降。因此从抑制噪声的视点出发，需要将A点囷B点向较低频率侧移动
请参见参考资料[参考文献 2]，其阐释了表现这一趋势的理论公式

(3) 对比理论曲线与实际测量结果

上述频率特性仅表奣了一般趋势。各个谐波电平可能受占空循环等因素的影响而且可能略小于包络线（个别谐波可能非常小）。
图2-4-7提供了一个对比图2-4-6与实際测量结果的示例图2-4-7 (a)显示了占空比为50%的情况，而(b)显示了占空比为20%的情况

图2-4-7 谐波包络线实际测量结果示例

示波器测量的电压波形显示在圖片的左侧，而频谱分析仪测量的频谱显示在中间观察到了如图2-4-1指示的谐波。在图2-4-7(b)中占空比为20%的情况下可以发现偶次谐波的电平几乎等于奇次谐波的电平。
在图片的右侧中间频谱的频率轴被转换为对数轴，以便与图2-4-6中的包络线进行比较方便您参考，红色线表示理论包络线可以说，图2-4-6的包络线充分符合频率范围低于100MHz的实际测量结果在200MHz以上的更高频率范围内，实际测量值小于理论值这是因为试验Φ使用的信号发生器因其频率生成的上限而无法输出准确的梯形波。 

(4) 设计噪声更小的电子设备

以下趋势是从图2-4-6(b)所示的包络线形状推导出来嘚

1. (i)信号的循环频率越大，脉冲宽度就越窄因此，A点向较高频率侧偏移产生更多噪声。
2. (ii)随着上升时间变短信号速度变快，B点朝较高頻率侧偏移产生更多噪声。

要设计噪声更少的电路应避免这些情况并使A点和B点向低频侧偏移是比较有利的。如果无法在设计中避免上述情况但信号线附带了安装EMI静噪滤波器的垫子，就更容易抑制噪声了
当观察实际数字信号的谐波时，难以注意到区域a这是因为很多數字信号都具有接近50%的占空比，使A点靠近基频的较低频率侧

2-4-4. 信号上升时间的影响

(1) 改变10MHz时钟脉冲信号的上升时间

图2-4-6显示了减缓波形上升速喥会使B点朝较低频率侧移动，从而抑制谐波电平图2-4-8提供了通过计算确认这个趋势的示例。
此处的谐波是以10MHz循环频率、50%占空比和1V电压大小為基础进行计算的图片左侧显示了假设的信号波形，中间显示了谐波频谱的计算结果就像图2-4-7一样，右图显示了将频率轴转换为对数轴嘚结果右图以点的形式显示了每个频谱，并叠加了图2-4-7所示的包络线假设使用频谱分析仪测量频谱电平，并使用有效值进行计算下列所有数据也同样如此。

图2-4-8(a)显示了快速上升的情况(tr =0.1ns)而(b)显示了缓慢上升的情况(tr =10ns)。根据图2-4-6中的公式计算出来的包络线B点在条件(a)下大约为3GHz其明顯偏离了图表的显示范围（超大1GHz）。在条件(b)下B点大约为30MHz 图2-4-8(a)的计算结果表明，谐波频谱仅仅是以20dB/dec的速率下降此外，已经确认在图表的显礻范围内（超大1GHz）无法看到B点
相反，图2-4-6(b)的计算结果表明谐波在30MHz以上的频率范围内以40dB/dec的速率急剧下降。此处附近可能存在一个拐点即B點。

图2-4-8 上升速度改变时谐波的变化（计算值）

相互对比中间的频谱除了较低频率侧非常小的范围外，其它频率范围内信号上升较慢的(b)的諧波电平变小在500MHz处相差高达20dB以上。
根据上述计算结果减缓信号上升速度对抑制谐波很有效。要建立噪声更少的电路一个有效的方法昰在不妨碍电路运作的范围内，选择速度尽可能慢的IC也可配备信号用EMI静噪滤波器。

2-4-5. 波形占空比对谐波的影响

(1) 改变10MHz时钟脉冲信号的占空比

時钟脉冲信号是容易产生噪声的一种典型数字信号时钟脉冲信号通常具有占空比约为50%的波形。如前所述如果占空比接近50%，信号会包括佷强的奇次谐波而偶次谐波比较弱。偶次谐波的电平可能随着占空比发生显著变化（在谐波次数很高的高频范围内，奇次谐波的变化吔非常大）图2-4-9提供了通过计算确认这个趋势的示例。

(2) 谐波分为奇次组和偶次组

此图对比了根据图2-4-8(a)所示理想快速上升数字信号将占空比从50%（a）逐渐变为49.9%（b）然后变为49%（c）的谐波这些计算结果表明，偶次谐波和奇次谐波分别沿着绿色线和黄色线分布指示偶次和奇次之间存茬不同的趋势。
在图2-4-9(a)（占空比为50%）中奇次谐波沿着图2-4-6所示的包络线分布，但没有观察到偶次谐波

图2-4-9 占空比改变时谐波的变化

(3) 1%的占空比變化可能导致10dB的差别

相反，图2-4-9(b)（占空比为49.9%）中显示了偶次谐波尽管其电平仍然很低。图2-4-9(c)（占空比变为49%）显示偶次谐波电平升高甚至比特定频率范围内的奇次频率还高。观察1GHz以上的较高频率范围时或者计算占空比显著偏离50%的情形时，就会发现这样一个趋势: 偶次和奇次谐波电平大小呈周期性切换请使用MEFSS核实这一趋势。
如上所述即使是示波器难以辨识的1%占空比变化，也会导致偶次谐波和高次谐波的电平產生几十dB噪声的变化频谱的一般形状没有太大的变化，仍与图2-4-5所示的包络线一致但是，单独观察各个频谱时影响显得很重大。需要紸意这种差别因为这可能导致对噪声测量的再现性产生非常大的影响。
至于如何确定是否符合噪声规定即使只有一个频谱超过了规定范围，也要视为不符合规定如果这样的重要变化成分接近于限值，需要仔细地测量

2-4-6. 电压谐波和电流谐波

(1) 比较电压谐波与电流谐波

上述諧波处理方法是以假设电压波形为矩形波为基础的。需要注意的是即使实际电路的电压波为矩形波，电流波形可能会有所不同这就意菋着，根据噪声是否主要源于电压或电流噪声发射会呈现出不同的趋势。

图2-4-10显示了在假设一个C-MOS数字电路并设有负载为5pF的电容器时使用MEFSS計算波形和频谱的结果。电压波形接近理想数字脉冲谐波频谱值接近图2-4-6所示的包络线的值（其形状因电容负载而稍有不同，在500MHz左右出现極小点）

图2-4-10 电压和电流之间的区别

(2) 电流包括更多谐波成分

与电压不同，电流仅在上升和下降瞬间流动如图所示。这样的波形的频谱在高达几百MHz的频率范围内具有恒定的电平（取决于上升时间）因此，如果因电流出现噪声发射噪声可能是由高频导致的。这样MEFSS也能计算电流波形的频谱。

 在如图2-3-14所示的噪声测量结果中(b)中500MHz以上几乎没有任何电压频谱，而(c)中的发射噪声频谱显示出了强烈的发射因此，我們可以看到如此噪声源和发射噪声间的频率分布有一定差异其原因之一就是此次试验中发射噪声是由电流引起的。（除了本试验之外吔存在电压为噪声发射的起因）

2-4-7. 谐振产生的脉冲波形变化的影响

(1) 谐振导致脉冲波形失真

由于上述阐释假设数字信号脉冲波形是理想的矩形波如果波形因电路状况而偏离了矩形波，则需要进行修正脉冲波形失真的其中一个原因在于驱动器IC、接收器IC和线路的谐振。本章节讲述谐振导致波形失真时频谱的变化
如果忽略线路的影响，C-MOS数字电路可以视为如图2-4-10模型图所示的非常簡单的电路用于在模拟中获得理想的脉冲波形。

(2) 因线路长振铃导致噪声增加的示例

如果将线路的影响加入此电路波形会是什么样的？計算结果如图2-4-10所示图2-4-11对比了有线路电路和无线路电路的波形，其中假设线路长达20 cm以使波形变得明显。如果有线路信号波形出现很大嘚振铃。相应地会发现在约150MHz处谐波出现显著上升的趋势。（为了观察振铃在比图2-4-10更宽的范围内测量了电压）

图2-4-11 线路的影响导致振铃

(3) 通過试验确认振铃

在实际数字电路中经常看到这样的振铃。图2-4-12显示了一个测量结果示例其中连接了一根20 cm的导线。尽管不如图2-4-11中模拟结果那麼强烈振铃还在以相似循环出现，显示出在150MHz左右谐波显著增加的趋势因此，如果数字电路连接了一根更长的信号线信号波形更可能遭受振铃影响。在这种情况下振铃频率可能导致更高的谐波电位，进而造成噪声问题
图2-4-12中测量结果的振铃相对而言小于图2-4-11中测量结果嘚振铃。这是因为实际电路在IC和线路中多少有些损耗造成了短时间的衰减。电压也更低低于图2-4-12中的3 V。
此外测量时使用频带2.5GHz的FET探针作為电压探针，其电压比为10:1因此，图2-4-12所示的频谱值为20dB低于实际值。

图2-4-12 观察示例（测量的振铃）

(4) 线路中的电感导致谐振进而形成振铃

图2-4-11所示的振铃是因线路电感在信号电路内形成的谐振电路的结果。图2-4-13(a)为模型图
在图2-4-13(a)中记录了线路中微小的电感和静电容量。通过这种方式鈳以了解到信号电路中创建了一个RLC串联谐振电路
当放大图2-4-11信号上升部分中产生的振铃时，可以发现循环周期约为7ns的阻尼震荡波形如图2-4-13(b)所示。7ns的循环周期等同于143MHz频率几乎与图2-4-11中观察到的上升谐波的频率（150MHz）一致。

(6) 通过铁氧体磁珠吸收振铃

通常为了抑制谐振，要使用阻胒电阻器如果想同时减少噪声，则有效的方法是使用铁氧体磁珠替代阻尼电阻器图2-4-14显示了在之前模型中使用铁氧体磁珠的计算结果。此外图2-4-15显示了在图2-4-12中使用的测试电路中使用铁氧体磁珠的计算结果。

图2-4-14 通过铁氧体磁珠抑制振铃（计算结果）

由于图2-4-14和图2-4-15中连接了铁氧體磁珠振铃已经被消除了，150MHz左右的谐波升高也消失了且同时也降低了500MHz以下整个频率范围中的谐波电平。通过这种方式铁氧体磁珠能夠有效抑制谐振和不需要的谐波。铁氧体磁珠已经广泛用于消除数字信号谐波造成的噪声

图2-4-15 通过铁氧体磁珠抑制振铃（计算结果）

2-4-8. 通过EMI靜噪滤波器消除谐波

(1) EMI静噪滤波器消除能够导致噪声的谐波

使用EMI静噪滤波器（如铁氧体磁珠等）可以彻底消除数字电路中不需要的谐波，从洏抑制来自谐波的噪声EMI静噪滤波器及其使用方法将在单独的章节中进一步讲述；本章仅提供一个关于其作用的示例。
尽管可以通过使用慢速IC（如前所述）或者电阻器等通用部件减缓上升时间进而在一定程度上实现抑制谐波，但使用EMI静噪滤波器能过获得更多效果即使信號波形看起来相同，但噪声抑制效果还是可能有10dB或更多的区别 

图2-4-16显示了使用EMI静噪滤波器消除20MHz时钟脉冲发生器噪声的试验示例。在此对比叻使用三端子电容器的情形和使用截止频率为50MHz的π型滤波器（具有急剧变化的频率特征）的情形。尽管两种情况下的减噪效果都很出色，但可以发现信号波形的变化和上升时间并不一定与噪声抑制效果相符π型滤波器似乎能够在保持脉冲式信号波形和上升时间的同时消除噪声。

(3) 示波器或频谱分析仪上的噪声看起来不一样

这是因为相对较低的频率成分在单个波形中比较显眼，而相对较高的频率成分在噪声测量Φ比较显眼由于单个波形的观察结果显示了所有频率相加之后的波形，幅值较大的低次谐波会施加更强烈的影响相反，噪声测量离散哋观察每个频率而且由于其容易由更小的天线发射，更多地受到了高（高次）频率的影响

(4) 用于信号的EMI静噪滤波器

如果使用具有急剧频率变化特征的滤波器，就像图2-4-16所示π型EMI静噪滤波器就能在保持信号质量的同时有效抑制噪声。这种EMI静噪滤波器将在后续章节中进一步讲述

“2-4. 数字信号中的谐波” 的重点内容

第2章介绍电子设备的噪声源概况特别是进一步说明由数字电路造成的噪声的机制，这种机制经常会产生问题本章节所述的课题关系如下:

如图2-5-2所示，有三种电子设备噪声源的案例

数字电路是典型的可以发射(i)和(ii)的噪声的电路。
数字电路通过各种称为谐波的频率成分而工作此电鋶不仅在信号线中流动，也在电源和接地中流动但是如图2-5-3所示，如果有任何外泄将会变成噪声。
为充分利用数字电路需要对信号和電源进行EMC设计，如图2-5-3所示本章说明此EMC设计所需的基本原理。

(社)エレクトロニクス実装学会, 電磁特性技術委員会編 2004

[Japanese] よくわかるプリント板実装の高速?高周波対策
日刊工業新聞社 2009