圖1展示了使用數字電路的電子設備可能發出的噪聲的類型。通常，噪聲在很寬頻率範圍內產生
，如果與電視和/或收音機等電子設備的頻率重疊，就會造成接收幹擾。本章節將介紹數字電路產生這些噪聲的機製。

 
信號頻率和噪聲之間的關係

如圖2suoshi，shuzidianlutongguoqiehuangaodixinhaodianpingcaozuodianlu，congerchuanshuxinxi。qiehuanxinhaodianpingdeshunjian，gaopindianliuliuguoxinhaoxian。dianliubujinzaixinhaoxianzhongliudong，yezaidianyuanhejiedizhongliudong。shuzidianluzhongshiyongdezhexiegaopindianliubeishiweizaoshengdeqiyin。zhangjie2將進一步介紹這些電流。


圖3和4展示了通過改變數字電路產生的噪聲和信號頻率所測量的示例。圖中以時鍾脈衝發生器作為數字電路的示例，並通過放置在三米外 測量區域（電波暗室）內的天線測量發生器產生的噪聲。在時鍾脈衝發生器的信號頻率從4MHz變為20MHz再變為66MHz期間，觀察噪聲發生變化的頻率 間隔和水平。這樣就能在時鍾信號的離散頻率處觀察噪聲
，這些成分被稱為信號的諧波。將在下一章節中進一步講述諧波。[page]
在圖4中的噪聲測量結果中，H表示的線顯示了水平極化無線電波的測量結果
，而V表示的線顯示了垂直極化無線電波的測量結果。在本課程中，除非另行說明，下列各圖都將使用這一規則。



數字電路為什麼會產生噪聲

為闡釋數字電路產生的噪聲，我們以一個由兩個IC間的信號線組成的簡化電路為例。
如圖5所示，我們考察這樣一種情形: 一根連接兩個數字IC的信號線傳輸信息。兩個IC間的電流可以簡化為如圖6所示。[參考文獻 4]
在圖5和6中，一根信號線將信號從左側驅動器傳輸到右側驅動器。連接與電源側或接地側驅動器內信號線相連的開關（包括一個晶體管）
，可能 使信號電壓發生變化。當驅動器側的開關打開時，輸入終端的電容（多個pF的極少量靜電容量）在接收器側充電或放電。當驅動器輸出的信號電壓根據電容的充電 和放電變化時，信息從驅動器傳輸到接收器。[page]

圖7展示了切換瞬間電流和電壓的示意圖。圖7還展示了針對驅動器IC輸出電阻(R)的(de)建(jian)模(mo)。信(xin)號(hao)電(dian)平(ping)切(qie)換(huan)的(de)速(su)度(du)視(shi)輸(shu)出(chu)電(dian)阻(zu)和(he)電(dian)容(rong)而(er)變(bian)。請(qing)注(zhu)意(yi)

，本(ben)模(mo)型(xing)經(jing)過(guo)了(le)大(da)量(liang)簡(jian)化(hua)，僅(jin)能(neng)展(zhan)示(shi)電(dian)路(lu)的(de)運(yun)行(xing)，而(er)不(bu)足(zu)以(yi)解(jie)釋(shi)噪(zao)聲(sheng)。後(hou)文(wen)中(zhong)將(jiang)介(jie)紹(shao)更(geng)為(wei)實(shi)際(ji)的(de)模(mo)型(xing)。
在這種情況下
，兩個IC間的電流流經圖6中電容充電側的橙色路徑，在放電側則流經圖中的藍色路徑。這一電流使數字電路產生噪聲。



由於此時電流是電容（電容器）充電和放電所產生的，在信號切換的瞬間，電流像長釘一樣流動
，如圖8(b)所suo示shi。這zhe種zhong波bo形xing包bao含han各ge種zhong頻pin率lv

，通tong過guo用yong作zuo天tian線xian的de線xian路lu發fa射she出chu來lai，從cong而er造zao成cheng噪zao聲sheng幹gan擾rao。根gen據ju電dian路lu的de寄ji生sheng電dian感gan，電dian流liu的de突tu然ran變bian化hua會hui造zao成cheng感gan應ying電dian壓ya。電dian壓ya也ye成cheng為wei噪zao聲sheng的de起qi因yin。
因為噪聲源是驅動器內的切換開關
，所有可以說在圖5的模型中噪聲源在驅動器內。[page]


短路電流

圖6指出了另一種綠色電流。這種電流被稱為短路電流，也會成為一種噪聲起因。 因為當驅動器內的開關切換時，C-MOS數字IC隻在一瞬間使電源和接地相互連接，會產生如圖8(b)中(3)所示的類似長釘的電流。這種電流被 chengweiduanludianliu。tabuhuiliujinxinhaoxian，danhuizuoweijijubianhuadedianliuliujindianyuanhejiedi。yinci，zhezhongdianliukenengchengweidianyuanhejiedizhongzaoshengdeqiyinzhiyi。tu8顯示，短路電 流流過驅動器內開關的上方和下方。
與yu信xin號hao電dian流liu不bu同tong，在zai信xin號hao上shang升sheng和he下xia降jiang時shi短duan路lu電dian流liu的de方fang向xiang相xiang同tong。因yin此ci，從cong頻pin率lv的de角jiao度du而er言yan，其qi頻pin率lv是shi雙shuang重zhong信xin號hao循xun環huan頻pin率lv。有you時shi，牢lao記ji這zhe個ge性xing質zhi有you助zhu於yu區qu分fen噪zao聲sheng源yuan或huo路lu徑jing與yu產chan生sheng的de噪zao聲sheng頻pin率lv。

頻pin率lv中zhong被bei稱cheng為wei諧xie波bo的de成cheng分fen會hui在zai循xun環huan頻pin率lv的de整zheng數shu倍bei處chu產chan生sheng。這zhe一yi部bu分fen將jiang在zai後hou文wen中zhong進jin一yi步bu講jiang述shu。短duan路lu電dian流liu產chan生sheng的de噪zao聲sheng可ke能neng在zai與yu信xin號hao的de偶ou次ci諧xie波bo相xiang重zhong疊die的de頻pin率lv處chu（雙信號頻率的累積相乘）出現。因此
，如果偶次諧波造成一個問題，除了信號之外，電源也可能是問題的起因。
為簡化模型，圖6顯示電容在信號線和接地之間。但事實上
，電容也會存在於信號線和電源之間。所以

，到電源和接地都有電流路徑。[page]

去耦電容器

圖6中所示的電流路徑不僅包括信號線
，也包括電源和接地。這就意味著連接信號線不足以傳輸信號，還必須將其連接至電源和接地。
圖6的左側還顯示了“去耦電容器”。這是一種用於連接電源和接地的旁路電容器。盡管此電容器用於穩定IC電源電壓或即時供應電源電流，但在圖6的情形下，它也在傳輸信號的電流路徑中發揮著作用。去耦電容器的操作將在章節3-1中進一步講述。


我們來設想一下
，如果沒有這個電容器


，電流路徑是怎樣的。如圖10所示，流經電源和接地的電流將通過遠離IC的電源流動
，因而電感很大，無 法正常流動（因此，信號脈衝波形會變形，或者IC操作速度減慢）。此外
，由於產生噪聲的電流流過電路的區域很廣
，產生的噪聲會更多。
因此，去耦電容器是數字IC非常重要的組成部分，不僅是為了穩定電壓（稱為“PI” - 電源完整性）
，也是為了正確傳輸信號（稱為“SI” - 信號完整性）和抑製電磁噪聲(EMI)。從EMI抑製的角度看，去耦電容器的運行體現在限製包含流入IC附近電源和接地的噪聲的高頻電流
，如圖 10所示。


經過去耦電容器的電流環路越小，產生的噪聲量就越小。信號質量也將得到改善。因此，去耦電容器應盡量靠近IC放置。章節3-1將詳細講述如何使用去耦電容器。[page]

共模噪聲的感應

圖6所示的信號電流形成了一個電流環路
，並將此環路作為天線發射無線電波，如圖11所示。我們將其稱為普通模式電流發射噪聲。（為簡化噪聲發射機製
，此示例通過環形天線建模。因為現實世界中的電子設備擁有更為複雜的形狀

，無法僅通過一個環形天線來表示。）


除圖11所示的普通模式外，現實世界中的電子設備還會發出其他模式噪聲。如圖6所示，電流不僅會流經信號線，也會流經接地和電源 線。這些電流可能導致產生更具影響力的噪聲
，稱為共模噪聲，如圖12所示。這種產生共模噪聲的機製將在章節5-3中進一步講述。


共(gong)模(mo)噪(zao)聲(sheng)不(bu)僅(jin)會(hui)出(chu)現(xian)在(zai)接(jie)地(di)，也(ye)會(hui)出(chu)現(xian)在(zai)電(dian)源(yuan)和(he)信(xin)號(hao)線(xian)。由(you)於(yu)接(jie)地(di)延(yan)伸(shen)到(dao)印(yin)刷(shua)線(xian)路(lu)板(ban)周(zhou)圍(wei)的(de)所(suo)有(you)區(qu)域(yu)，如(ru)果(guo)產(chan)生(sheng)共(gong)模(mo)噪(zao)聲(sheng)

，則(ze)電(dian)路(lu)板(ban)本(ben)身(shen)會(hui)作(zuo)為(wei)天(tian)線(xian)發(fa)射(she)噪(zao) sheng，huozhecongyongzuotianxiandelianjiezhiyinshuaxianlubandegezhongdianlanfachu。yinweiyongzuotianxiandedaotiyuanyuandayuxinhaoxian，jinguandianyahenxiao，danquehuifachuhenqiangdezaosheng。
圖13展示了電子設備發射的概念圖（包括共模噪聲）。因信號電流原來的發射部分是由①的普通模式發出的。因為天線很小，噪聲發射到達相對較小的區域。但是
，如果電流感應到了共模噪聲，整個印刷線路板②可能成為天線，或電纜③可能成為天線，導致更強的噪聲發射。
共模噪聲不但容易產生，而且會通過接地和電源傳導，所以一旦產生了共模噪聲，就難以停止噪聲傳播。例如，圖13中的電纜連接至一個接口IC。然後共模噪聲會經由此IC的電源和接地通過電纜傳導。[page]

要有效抑製噪聲
，防止產生共模噪聲非常重要。為此，降低接地的阻抗
，以便抑製共模噪聲的出現（稱為接地增強），或者在信號線中使用EMI靜噪濾波器阻擋產生的電流。


信號中的諧波

如上所述
，傳輸信號的電流本身可能是數字電路中噪聲的起因之一。圖14提供的測量示例展示了20 MHz時鍾信號轉變為噪聲的過程。
盡管數字信號的電壓波形是一種簡單的矩形波（如圖14(a)所示），但卻可以分解為分散在很寬頻率範圍中的頻譜（如圖14(b)所示）。這些成分被稱為諧波。當諧波中某部分能量被釋放時，就會產生如圖14(c)所示的噪聲，進而導致噪聲幹擾。

如章節2.1所述
，噪聲需要傳輸路徑和天線才能發射。在使用數字電路的電子設備中，連接各IC、印刷線路板、電纜和金屬殼體等的線路可以用作傳輸路徑和天 線。一般而言，頻率越高，就越容易被發射為無線電波。因此，圖14(c)（測量發出的噪聲）中的諧波噪聲（幾百MHz或更高）可能比圖 14(b)（直接測量信號）中的諧波噪聲看起來更明顯。
要有效抑製噪聲
，了解原信號中包含的諧波（圖14(b)中所示）的本質非常重要。下一章節將講述諧波的本質。