噪声也有颜色？EMC元件之电容篇_电源_电路_电磁兼容

噪声也有颜色？EMC元件之电容篇

第2562期

电阻、线圈（电感器）、电容器是构成电路的3大被动元件。其中电容器不仅负责储存电荷，在除噪方面也发挥着重要作用。随着数字设备的小型、高频化，旁路电容器或去耦电容器常采用低ESL、低ESR的类型。

噪声也有颜色？

各种频率成分的强度几乎都相同的噪声称为白噪声。雨声、河流声、树叶的沙沙声等，都是类似白噪声的自然界杂音，长时间聆听的话，不仅不会感到烦躁，还意外地有着令人放松的助眠效果。根据这一启发，将身边的烦人声音特意隐藏在白噪声里的便是称为白噪声机的电子设备。为了助眠或工作提神，手机上还有专门的播放应用。

如同白光可以被分解为彩虹的七色光一样，白噪声也包含强度几乎相同的各种频率成分。在电路中出现的不规则噪声大多也属于白噪声。脉冲状的噪声也含有许多种频率成分。

对白噪声施加滤波器，频率越高强度越弱的噪声就是粉色或红色噪声。在阳光的光谱中，频率较高的是蓝色一端的光。蓝色端的频率减弱，相对地红色端就会增强，因此才称为粉色或红色噪声。

如果以颜色来比喻，电压保持稳定的理想直流电就是无色透明的电流。另一方面，以特定频率流动的交流电就算是拥有某种颜色的电流。此外，频繁变动直流电压导致的噪声，也算是一种交流电。一般来说，噪声包含各种频率成分，用颜色比喻的话就是混合色。含有幅度越广的频率成分，就会越接近于白噪声。虽然人们常说“纯白”，但在噪声方面，白色才是最浑浊的颜色。

电路中的直流电若混入了噪声，电压就会变动，导致集成电路故障等问题。因此，为了去除这种噪声，人们常采用电容器。这是因为电容器能阻断直流电，放行噪声成分，发挥最简单的过滤功能。不过，电容器也有许多种类和特性（频率 - 阻抗特性等），如果弄错使用方式，反而会增加噪声。

旁路电容器也被称为去耦电容器

作为电路中的除噪元件，电容器有以下用法。

［1］跨接线：去除2条线之间的噪声
［2］旁路：去除来自直流电源的噪声
［3］去耦：减小电路的循环，阻断来自其它电路的噪声（减小电源线的电压变动，抑制电路间的干扰）

［1］属于电容器的“通交流不通直流”的基本性质，很容易理解，但［2］和［3］需要详细说明。

观察数字设备的电路，就能发现集成电路的电源线上装有许多电容器。因为能够将电源线内的噪声通过旁路导入地面，它们被称为旁路电容器。

旁路电容器还有另一个重要职责。那就是为集成电路提供必要的电荷，确保稳定的电源电压。这时候，电容器的职责类似于电池。如果没有电容器，电源电压会随着集成电路的运作而变动，集成电路就成了噪声的制造机。

去耦电容器和旁路电容器有着深切联系，但其目的不同。集成电路的运作所需的电荷，有时是由远距离的其它电容器提供的。这种做法会造成噪声，因此必须屏蔽噪声。简单来说，[3]的去耦电容器的目的，就是让各电路独立，防止噪声越境。所谓“去耦”就是去除耦合的意思。

旁路电容器安装在集成电路附近的原因

电容器中含有微小的电感成分和电阻成分。这称为ESL（等效串联电感）和ESR（等效串联电阻）。ESL和ESR是电容器不需要的伴生成分，将大型电容器当作旁路电容器使用时，这些值会助长噪声。

电容器的静电容量与电极的面积、介电系数成正比、与介电体的厚度成反比。

电源切换开关时，储蓄电荷的放电与反向的充电会反复进行，导致交流电流动。

因此，以前的集成电路周围会装有大量电容器，旨在降低ESR和ESL。而低ESL电容器通过1个电容器就能解决这个问题。

将旁路电容器插入集成电路附近是一条不变的法则。这是因为电路的导线也会成为天线，变成噪声源头。不仅是电路的导线，旁路电容器内部也有电流的线路，而低ESL电容器采用了将其尽可能缩短的构造。

低ESL电容器分为纵横翻转型和3端子贯通型。普通的双端口型积层陶瓷贴片电容器的端口电极在横向（较长方向），而纵横翻转型则将其改到了纵向。通过纵横翻转，内部电极的电流线路就变宽变短，从而降低了ESL和ESR。

3端子贯通型电容器则进一步贯彻了这种思路。它采用了积层构造的接地电极，仿佛将内部电极包夹起来了一样。其ESL比纵横翻转型更低。在高频、高集成化的趋势下，除噪元件可以进一步发挥数字设备的性能。

相比于没有电容器和采用普通旁路电容器的情况，低ESL电容器能够干净地去除掉噪声。

与普通的片状电容器相比，它在高频领域更能发挥噪声旁路效果。

来源：TDK官网

来源：电磁兼容之家

USB 接口电路设计常见问题

第2568期USB是一种快速、双向、同步传输、廉价、方便使用的可热拔插的串行接口。由于数据传输快，接口方便，支持热插拔等优点使USB设备得到广泛应用。目前，市场上以USB2.0为接口的产品居多，但很多硬件新手在USB应用中遇到很多困扰，往往PCB装配完之后USB接口出现各种问题。比如通讯不稳定或是无法通讯，检查原理图和焊接都无问题，或许这个时候就需怀疑PCB设计不合理。绘制满足USB2.0数据传输要求的PCB对产品的性能及可靠性有着极为重要的作用。 USB协议定义由两根差分信号线（D+、D-）传输数字信号，若要USB设备工作稳定差分信号线就必须严格按照差分信号的规则来布局布线。根据笔者多年USB相关产品设计与调试经验，总结以下注意要点： 1.在元件布局时，尽量使差分线路最短，以缩短差分线走线距离（√为合理的方式，×为不合理方式）； 2.优先绘制差分线，一对差分线上尽量不要超过两对过孔（过孔会增加线路的寄生电感，从而影响线路的信号完整性），且需对称放置（√为合理的方式，×为不合理方式）； 3.对称平行走线，这样能保证两根线紧耦合，避免90°走线，弧形或45°均是较好的走线方式（√为合理的方式，×为不合理方式）； 4.差分串接阻容，测试点，上下拉电阻的摆放（√为合理的方式，×为不合理方式）； 5.由于管脚分布、过孔、以及走线空间等因素存在使得差分线长易不匹配，而线长一旦不匹配，时序会发生偏移，还会引入共模干扰，降低信号质量。所以，相应的要对差分对不匹配的情况作出补偿，使其线长匹配，长度差通常控制在5mil以内，补偿原则是哪里出现长度差补偿哪里； 6.为了减少串扰，在空间允许的情况下，其他信号网络及地离差分线的间距至少20mil(20mil是经验值)，覆地与差分线的距离过近将对差分线的阻抗产生影响； 7.USB的输出电流是500mA，需注意VBUS及GND的线宽，若采用的1Oz的铜箔，线宽大于20mil即可满足载流要求，当然线宽越宽电源的完整性越好。普通USB设备差分线信号线宽及线间距与整板信号线宽及线间距一致即可。然而当USB设备工作速度是480 Mbits/s，只做到以上几点是不够的，我们还需对差分信号进行阻抗控制，控制差分信号线的阻抗对高速数字信号的完整性是非常重要的。因为差分阻抗影响差分信号的眼图、信号带宽、信号抖动和信号线上的干扰电压。差分线阻抗一般控制在90（±10%）欧姆(具体值参照芯片手册指导)，差分线阻抗与线宽W1、W2、T1成反比，与介电常数Er1成反比，与线间距S1成正比，与参考层的距离H1正比，如下图是差分线的截面图。下图为四层板的参考叠层，其中中间两层为参考层，参考层通常为GND或Power，并且差分线所对应的参考层必须完整，不能被分割，否则会导致差分线阻抗不连续。若是以图 2叠层设计四层板，通常设计时差分线采用4.5mil的线宽及5.5mil的线间距既可以满足差分阻抗90Ω。然而4.5mil线宽及5.5mil线间距只是我们理论设计值，最终电路板厂依据要求的阻抗值并结合生产的实际情况和板材会对线宽线间距及到参考层的距离做适当的调整。以上所描述的布线规则是基于USB2.0设备，在USB布线过程中把握差分线路最短、紧耦合、等长、阻抗一致且注意好USB电源线的载流能力，掌握好以上原则USB设备运行基本没问题。来源：电磁兼容之家