在本章節中，我們將著(zhù)重于接地中噪聲的產(chǎn)生，并研究產(chǎn)生共模噪聲的一些機制。
在實(shí)際電子設備中，產(chǎn)生共模噪聲的機制非常復雜。因此，不能通過(guò)簡(jiǎn)單的模型進(jìn)行闡釋。這里介紹的模型包括帶有復雜數值的元件，如浮動(dòng)靜電容量，所以它們很難集成到設計中。但是，了解這些機制對設計低噪聲電子設備非常有用。

產(chǎn)生共模噪聲的示例

(1) 當電纜連接到時(shí)鐘信號接地時(shí)
圖1展示了當20MHz時(shí)鐘信號通過(guò)5厘米MSL（微帶線(xiàn)）傳輸時(shí)，在30MHz到1GHz的頻率范圍內和3米距離處測量噪聲發(fā)射。圖 1(a)給出了僅使用一個(gè)基板的測量結果，而圖1(b)給出了將兩根25厘米電纜連接到接地的結果。據此可以推論，當電纜連接到接地時(shí)， 整體長(cháng)度為1/2波長(cháng)頻率（本例中為250MHz）附近，噪聲發(fā)射增大。
因此，可以說(shuō)將導體（如天線(xiàn)）連接到PCB的接地會(huì )增加噪聲，這與章節5-2中圖5-2-2所示的情形一致。換言之，可以認為共模噪聲被此接地感應到了。
（圖1中的測試使用了MSL兩端均接地的基板。這并非常規MSL的結構。但是，本章節中還是稱(chēng)其為MSL。）

(2) MSL在接地中也有噪聲
在本測試中，使用內置3V電池的3厘米×3厘米小型屏蔽罩內的振蕩電路產(chǎn)生了時(shí)鐘信號，以便中和除電纜和MSL以外元件所發(fā)射噪聲的效果。此設備的外觀(guān)如圖1(c)所示。其中的信號發(fā)生器也在后續測試中被用作噪聲源。
這里使用的MSL與理想信號線(xiàn)路類(lèi)似。如圖所示，基板正面和背面變成導通的接地層，從根本上防止接地中產(chǎn)生電壓。這樣可以假設噪聲是由哪種機制產(chǎn)生的嗎？如何抑制產(chǎn)生的噪聲呢？


[page]電流驅動(dòng)型模型

(1) 高接地阻抗高導致共模噪聲
在第一個(gè)模型中，我們將研究為什么會(huì )因為高接地阻抗而在接地中產(chǎn)生電壓。此模型被稱(chēng)為電流驅動(dòng)型 [參考文獻 5,6]。
圖2表明，當信號來(lái)回經(jīng)過(guò)接地時(shí)，左右接地中因為接地阻抗產(chǎn)生了電壓。噪聲隨著(zhù)接地阻抗的變大而增強。而且，這種阻抗主要是由有接地模式的電感產(chǎn)生的。

(2) 接地線(xiàn)很細時(shí)
圖2表明，當接地不是接地面而是很細的接地線(xiàn)時(shí)，接地電感增加。產(chǎn)生噪聲也會(huì )增強。
圖3給出了當圖1中的MSL替換為接地較窄的基板時(shí)的測量結果。相比圖1，可以發(fā)現噪聲顯著(zhù)增強，而且噪聲發(fā)射的速率遠遠超過(guò)了 CISPR22的限值。此電平接近章節2-4（天線(xiàn)直接連接到數字電路）中得到的電平。這表明接地都可能成為一個(gè)主要的噪聲源。
這種基板表示不良接地。同樣地，噪聲很多的接地可以被稱(chēng)為臟接地。




(3) 接地模式作為偶極子天線(xiàn)
這時(shí)我們可以假定連接到接地的電纜作為偶極子天線(xiàn)運作，如圖4(a)所示。我們也可以認為，流經(jīng)此天線(xiàn)的電流類(lèi)似于圖4(b)中所 示的電流，其中一部分信號電流為形成繞路的成分，經(jīng)過(guò)浮動(dòng)靜電容量卻不直接經(jīng)過(guò)信號線(xiàn)下面的接地。同樣地，當電流在不同于原路徑的路徑上流動(dòng)時(shí)，就會(huì )變成 共模噪聲的來(lái)源。[page]
通過(guò)在旁路中加入電纜和接地，此模型可以擴展并變?yōu)轭?lèi)似于圖5中的模型。圖5中的模型解釋了在電纜中流動(dòng)的共模電流是如何產(chǎn)生的，參見(jiàn)章節5-2中圖3(b)。



(4) 減少共模噪聲
隨著(zhù)電流和接地阻抗的增加，電流驅動(dòng)型中的共模噪聲增強。因此，要抑制共模噪聲，可以:
(i)降低接地阻抗
•接地線(xiàn)為平板狀
•在基板下放置金屬板（稱(chēng)為接地層）并加強接地
•靠攏接地與信號線(xiàn)（以增加信號線(xiàn)和接地之間的互感）
•縮短接地線(xiàn)路（縮短返回電流的路徑，必須縮短信號線(xiàn)）
(ii)減少電流
•增加負載阻抗
•使用濾波器去除不需要的高頻率范圍成分
(i)中所述措施指的是加強接地。
但是，如圖1中的簡(jiǎn)單測試所示，即使是在信號線(xiàn)下面使用具有穩定接地層的MSL，仍會(huì )產(chǎn)生少量的共模噪聲。這是因為，只要沒(méi)有極其大的接地面，就會(huì )產(chǎn)生細微的電感。[page]

電壓驅動(dòng)型模型

(1) 在無(wú)流動(dòng)電流情況下產(chǎn)生噪聲
在電流驅動(dòng)型模型中，因為通過(guò)接地的電流流動(dòng)而產(chǎn)生電壓。因此，在沒(méi)有流動(dòng)電流時(shí)應該就不會(huì )產(chǎn)生噪聲。但是，在真實(shí)電子設備中，即使信號線(xiàn)前面沒(méi)有連接任何元件，也會(huì )頻繁地產(chǎn)生共模噪聲。換言之，即使沒(méi)有電流流動(dòng)，也會(huì )因施加到信號線(xiàn)上的電壓而產(chǎn)生噪聲。
例如，圖1中的測試移除了負載（50Ω終端）。圖6顯示了阻止電流流經(jīng)信號線(xiàn)時(shí)噪聲的變化。(a)表示有負載的情形，而(b)表示無(wú)負載的情形。沒(méi)有負載時(shí)，噪聲減弱。但是，仍有220MHz噪聲。這一點(diǎn)無(wú)法通過(guò)電流驅動(dòng)型模型清楚地解釋。


(2) 共模電流流經(jīng)浮動(dòng)靜電容量
仍然存在的噪聲可通過(guò)電壓驅動(dòng)型模型來(lái)解釋。圖7簡(jiǎn)化并描述了電壓驅動(dòng)型 [參考文獻 5,6]。
當兩個(gè)平行導體連接到噪聲源時(shí)，具有相同導體長(cháng)度的部分成為傳輸線(xiàn)。即使導體前未連接任何元件，還是會(huì )有較少電流流經(jīng)線(xiàn)路間的浮動(dòng)靜電容量CDM。但是，因為此電流為普通模式，噪聲發(fā)射會(huì )減弱。
但是，如果其中一個(gè)導體變長(cháng)，噪聲源的一半電壓會(huì )施加到該導體上。這會(huì )與另一個(gè)導體形成一種偶極子天線(xiàn)。電壓驅動(dòng)型模型允許使用從傳輸線(xiàn)突出的導體以這種方式形成天線(xiàn)。
這時(shí)，在天線(xiàn)中流動(dòng)的電流會(huì )流經(jīng)浮動(dòng)靜電容量Cant，如圖所示。


[page](3) 接地越寬，共模電壓越低
圖7描述了這樣一種機制: 如果將更長(cháng)的線(xiàn)路作為數字電路的接地，共模電流會(huì )流經(jīng)數字電路的接地（如圖8(a)所示）。即使信號電流和接地阻抗都非常小，但由于信號線(xiàn)中存在電壓（噪聲源），于是產(chǎn)生了電流。
在這種情況下，關(guān)于接地中產(chǎn)生的共模噪聲電壓，應該作何考慮？通過(guò)改動(dòng)圖8(a)中的模型，各信號線(xiàn)和接地都應考慮朝向地線(xiàn)的浮動(dòng)靜電容量，如圖8(b)所示。施加到此模型接地電容Cgnd的電壓變成共模電壓。
在圖8(b)中，隨著(zhù)接地浮動(dòng)靜電容量Cgnd的增加（也就是說(shuō)接地尺寸增大）而降低，信號線(xiàn)的浮動(dòng)靜電容量Csig的減小，共模電壓變小。一般而言，如果增大接地尺寸來(lái)加強接地，共模噪聲會(huì )減少。通過(guò)圖8(b)所示模型就可理解這一點(diǎn)。


(4) 共模噪聲流經(jīng)電纜的機制
如果我們考慮將電纜接至這樣的接地時(shí)，可發(fā)現共模電流會(huì )流經(jīng)電纜（如圖9所示）?？梢约俣ù四Ｐ屯ㄟ^(guò)朝向地線(xiàn)的浮動(dòng)靜電容量回到噪聲源。如 果電纜這樣連接到接地，一部分共模電流（如圖8(a)中箭頭所示）將流過(guò)比圖9更大的路徑。一般而言，將電纜連接到有噪聲的接地會(huì )增加噪 聲發(fā)射的強度。此模型展示了這個(gè)現象背后的機制。
此模型解釋了電纜中流動(dòng)的共模電流是如何產(chǎn)生的，如章節5-2中圖5-2-3(b)所示。為對應章節5-2中的圖5-2-3，圖8和圖9中電流箭頭的方向相反。但實(shí)質(zhì)上是相同路線(xiàn)。


在電壓驅動(dòng)型模型中，即使電流不流經(jīng)信號線(xiàn)或接地，且沒(méi)有接地阻抗，只要信號線(xiàn)中存在電壓（噪聲源），共模電流就會(huì )流經(jīng)浮動(dòng)靜電容量。[page]

(5) 減少共模噪聲
為有效減少電壓驅動(dòng)型中的共模噪聲（接地中產(chǎn)生電壓），需要增加Cgnd同時(shí)降低Csig也可以通過(guò)降低圖7和圖8中的Cant來(lái)減少噪聲電流。下面是有效達到這個(gè)目的的具體方法:
(i)穩定接地電勢
•擴大接地且為平板狀（增加Cgnd）
•靠攏信號線(xiàn)和接地（降低Csig）
•縮短信號線(xiàn)，避免不必要的突出（降低Cant和Csig）
(ii)降低電壓
•降低驅動(dòng)電壓
•使用濾波器去除不需要的高頻率范圍
•在有浮動(dòng)噪聲源（散熱器）時(shí)連接到接地
(iii)降低噪聲源的浮動(dòng)靜電容量Cant
•避免誤將有強烈噪聲的元件靠近導線(xiàn)和金屬。
大多數噪聲抑制技術(shù)與電流驅動(dòng)型模型中使用的技術(shù)一樣。

(6) 通過(guò)加強接地抑制噪聲
在如圖1所示的噪聲測試中，可以觀(guān)察到同時(shí)連接了電流驅動(dòng)型噪聲和電壓驅動(dòng)型噪聲。
無(wú)論采用哪種模型，降低和穩定接地阻抗都是非常重要的。例如，圖10給出了通過(guò)將MSL的寬度延長(cháng)到50毫米加強接地得到的噪聲測量結果。如果您使用多層基板等搭建一個(gè)足夠大的接地層，可通過(guò)這種方式抑制共模噪聲。

(7) 使用EMI靜噪濾波器抑制噪聲
即使基板接地不良，也可以使用合適的EMI靜噪濾波器消除噪聲，從而抑制共模噪聲。
圖11給出了使用具有圖3中不良接地的基板時(shí)在時(shí)鐘信號（噪聲源）中使用π型EMI靜噪濾波器的示例。盡管此濾波器用于普通模式，但可以將其布置在噪聲源后面（在轉換為共模之前），從而有效抑制共模噪聲。此時(shí)，還必須盡可能地降低噪聲源和濾波器之間的接地阻抗。對于此測試而言，僅在噪聲源和濾波器之間使用MSL。
如果能在真實(shí)電子設備中以這種方式找到噪聲源，即使基板接地不良，也可使用普通模式EMI靜噪濾波器來(lái)抑制噪聲。