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如何根据数字电路的特性选择铁氧体磁珠[转载]

2019年8月16日 Zeng Weibin 硬件设计

2-1. 简介

如果数字电路中的信号频率加快,辐射噪声也会增强,噪声抑制将变得困难。

因此,为了降低电流,还需要降低信号电压或采取其他措施。例如,过去数字电路电源电压的主流为5V,但现在使用了3.3V、1.8V和1.3V等各种电压。

若如此降低电压,即使波形发生轻微振铃,也会导致电路退化。因此,必须抑制信号波形的振铃。

若要完全抑制波形的振铃,仅增加阻尼电阻器是不够的。还需要匹配(1)传输侧的输出阻抗,(2)传输线的特性阻抗,以及(3)负载侧的输入阻抗。

后文将通过为数字信号线增加电阻器和改变传输线的特性阻抗,说明阻抗匹配对波形和辐射噪声的影响。

降低高速信号传输电压的优势与劣势

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2-2. 阻抗匹配前的波形和辐射噪声

我准备了一个评估基板,通过测量波形和辐射噪声来观察阻抗匹配的影响。

图A显示了评估基板。信号发送自通用逻辑IC 74ALVC04(非元件),并由74ALVC04接收。对于背面完全接地的双面基板,信号频率为40MHz,传输线长度为10cm,基板厚度t为1.6mm,电源电压为3.3V。40MHz不再是高速信号,但考虑到实验的容易性,选择了信号频率和IC。

图B显示了波形和辐射噪声的测量结果。

波形中出现大振铃。这是因为信号的输出阻抗、传输线的特性阻抗和负载的负载阻抗不相匹配。

图A. 评估基板
图B. 初始波形和辐射噪声的测量结果

为实现阻抗匹配,如图C所示,对该测试基板进行了如下改动。

  • (1)改变特性阻抗z:130 ohms -> 50 ohms
  • (2)在传输侧的输出端增加一个30ohms的电阻器,并将输出阻抗更改为50ohms
  • (3)以50ohms的负载阻抗为终端
图C. 通过阻抗匹配抑制信号波形振铃

2-2-1. 信号线特性阻抗的变化

首先,我将信号线的特性阻抗从130ohms(模式宽度为0.30mm)更改为50ohms(模式宽度为3.1mm)。

更改为50ohms的原因在于,50ohms通常用于高速信号传输。由于同轴电缆等绝缘体材料的影响,50ohms处的损耗很小,因而似乎普遍都采用50ohms。

图A显示了波形和辐射噪声的测量结果。

在波形振铃中,过冲电压从4Vp-p降至3Vp-p。

这是因为传输线的特性阻抗更接近传输侧的输出阻抗,减少了信号的反射。

在280MHz至960MHz的频率范围内,辐射噪声最高增加了约10dB。由于模式宽度从0.3mm增至3.1mm,模式和地面之间静电电容增加,这似乎对噪声产生了影响。

图A. 更改信号模式特性阻抗后的波形和辐射噪声 (130ohms → 50ohms)

2-2-2. 增加输出和终端电阻器

图A显示了安装输出和终端电阻器时的波形和辐射噪声。

  • (1) 增加输出电阻器由于传输侧增加了输出电阻器,传输线的特性阻抗更接近输出电阻器,抑制了传输侧的再反射。因此,振铃得到抑制(3Vp-p至0.96Vp-p)。
    由于电阻器抑制了电流,辐射噪声也降低了约5dB。
  • (2) 增加终端电阻器由于传输线的特性阻抗更接近负载的阻抗,负载侧的反射得到抑制。因此,振铃得到抑制(3Vp-p至0.56Vp-p)。
    200MHz或更低频率处的辐射噪声最大增加了约10dB。由于端接50ohm电阻器,200MHz或更低频率处的负载阻抗降低,电流增加。
  • (3) 增加输出和终端电阻器由于输出、传输线和负载的阻抗匹配,振铃得到大幅抑制(3Vp-p至0.28Vp-p)。但是,峰值为1.9V,比电源电压值3.3V低1.4V。
图A. 安装输出和终端电阻器时的波形和辐射噪声

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2-3. 基板厚度的影响

阻抗匹配抑制了振铃,但由于基板厚度t = 1.6mm,模式宽度很宽,为3.1mm,因此不适用于高密度安装情形。

为了缩小模式宽度并保持50ohms的特性阻抗,必须使基板变薄。图A显示了基板厚度(层间厚度)和模式宽度之间关系的计算结果。

图A. 层间厚度与微带线模式宽度之间的关系(特性阻抗 50ohms)

我将基板厚度t从1.6mm减小到0.8mm,并测量了波形和辐射噪声。我想进一步减小基板厚度,但由于受到可用性的限制,最终厚度为0.8mm。由于特性阻抗固定为50ohms,模式宽度从3.1mm变为1.6mm。

图B显示了此情形下的信号波形和辐射噪声。

由于特性阻抗没有发生变化,信号的反射量和信号波形未有变化。总体而言,辐射噪声下降5至10dB。基板进一步减薄将更多地降低辐射噪声。基板越薄,抗弯曲的能力越弱,因此使用多层基板来减小厚度。这意味着,尽管成本高,但可以通过使用多层基板来降低辐射噪声。

图B. 采用更薄基板及相同特性阻抗时的波形和辐射噪声 z=50ohm, t=1.6mm (模式宽度为3.1mm)→0.8mm(1.6mm)

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2-4. 铁氧体磁珠在匹配电路中的噪声抑制效果

接下来,让我介绍安装铁氧体磁珠抑制噪声的示例。

阻抗曲线上升的频率范围根据铁氧体磁珠的材料而变化。另外,电阻分量R与阻抗的电抗分量X之比也随之变化。

我们将芯片型铁氧体磁珠“BLM”称为BLM_A系列普通型铁氧体磁珠,将阻抗曲线急剧上升的铁氧体磁珠称为BLM_B系列铁氧体磁珠。

图B显示了使用这些铁氧体磁珠时的波形和辐射噪声测量结果。

阻抗急剧上升的铁氧体磁珠有望能够抑制信号波形的变形以及阻抗匹配电路中的噪声。

图A. 安装的铁氧体磁珠阻抗
图B. 安装各种铁氧体磁珠时的波形和辐射噪声

然而,如图C所示,电阻分量成为主要分量的频带趋窄,因此没有阻抗匹配,波形的振铃可能会产生问题。(如果传输线短,信号反射的影响很小,振铃不太可能造成问题。因此,即使是急剧上升的类型也不会对波形造成任何问题。)

图C. 不同铁氧体磁珠材料阻抗|Z|、电阻分量R和电抗分量X的变化
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