【導讀】如導體傳導和共模第一講所述，當噪聲通過電纜傳輸時，成分中有普通模式和共模。同時也表明，噪聲電壓的產生以及電子設備接地中噪聲電流的流動被稱為共模噪聲。
在本章節中，我們將著重于接地中噪聲的產生，并研究產生共模噪聲的一些機制。
在實際電子設備中，產生共模噪聲的機制非常復雜。因此，不能通過簡單的模型進行闡釋。這里介紹的模型包括帶有復雜數值的元件，如浮動靜電容量，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。
產生共模噪聲的示例
(1) 當電纜連接到時鐘信號接地時
圖1展示了當20MHz時鐘信號通過5厘米MSL（微帶線）傳輸時，在30MHz到1GHz的頻率范圍內和3米距離處測量噪聲發射。圖 1(a)給出了僅使用一個基板的測量結果，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， 整體長度為1/2波長頻率（本例中為250MHz）附近，噪聲發射增大。
因此，可以說將導體（如天線）連接到PCB的接地會增加噪聲，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生了時鐘信號，以便中和除電纜和MSL以外元件所發射噪聲的效果。此設備的外觀如圖1(c)所示。其中的信號發生器也在后續測試中被用作噪聲源。
這里使用的MSL與理想信號線路類似。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生電壓。這樣可以假設噪聲是由哪種機制產生的嗎？如何抑制產生的噪聲呢？
圖1 產生共模噪聲的示例
[page]電流驅動型模型
(1) 高接地阻抗高導致共模噪聲
在第一個模型中，我們將研究為什么會因為高接地阻抗而在接地中產生電壓。此模型被稱為電流驅動型 [參考文獻 5,6]。
圖2表明，當信號來回經過接地時，左右接地中因為接地阻抗產生了電壓。噪聲隨著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生的。
(2) 接地線很細時
圖2表明，當接地不是接地面而是很細的接地線時，接地電感增加。產生噪聲也會增強。
圖3給出了當圖1中的MSL替換為接地較窄的基板時的測量結果。相比圖1，可以發現噪聲顯著增強，而且噪聲發射的速率遠遠超過了 CISPR22的限值。此電平接近章節2-4（天線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為臟接地。
圖2 電流驅動模型
圖3 接地不良的基板發射噪聲的示例
(3) 接地模式作為偶極子天線
這時我們可以假定連接到接地的電纜作為偶極子天線運作，如圖4(a)所示。我們也可以認為，流經此天線的電流類似于圖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，經過浮動靜電容量卻不直接經過信號線下面的接地。同樣地，當電流在不同于原路徑的路徑上流動時，就會變成 共模噪聲的來源。[page]
通過在旁路中加入電纜和接地，此模型可以擴展并變為類似于圖5中的模型。圖5中的模型解釋了在電纜中流動的共模電流是如何產生的，參見章節5-2中圖3(b)。
圖4 電流路徑和接地發射噪聲的示例
圖5 通過電纜傳導共模電流的模型
(4) 減少共模噪聲
隨著電流和接地阻抗的增加，電流驅動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
•接地線為平板狀
•在基板下放置金屬板（稱為接地層）并加強接地
•靠攏接地與信號線（以增加信號線和接地之間的互感）
•縮短接地線路（縮短返回電流的路徑，必須縮短信號線）
(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中的簡單測試所示，即使是在信號線下面使用具有穩定接地層的MSL，仍會產生少量的共模噪聲。這是因為，只要沒有極其大的接地面，就會產生細微的電感。[page]
電壓驅動型模型
(1) 在無流動電流情況下產生噪聲
在電流驅動型模型中，因為通過接地的電流流動而產生電壓。因此，在沒有流動電流時應該就不會產生噪聲。但是，在真實電子設備中，即使信號線前面沒有連接任何元件，也會頻繁地產生共模噪聲。換言之，即使沒有電流流動，也會因施加到信號線上的電壓而產生噪聲。
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信號線時噪聲的變化。(a)表示有負載的情形，而(b)表示無負載的情形。沒有負載時，噪聲減弱。但是，仍有220MHz噪聲。這一點無法通過電流驅動型模型清楚地解釋。
圖6 沒有電流時產生噪聲的示例
(2) 共模電流流經浮動靜電容量
仍然存在的噪聲可通過電壓驅動型模型來解釋。圖7簡化并描述了電壓驅動型 [參考文獻 5,6]。
當兩個平行導體連接到噪聲源時，具有相同導體長度的部分成為傳輸線。即使導體前未連接任何元件，還是會有較少電流流經線路間的浮動靜電容量CDM。但是，因為此電流為普通模式，噪聲發射會減弱。
但是，如果其中一個導體變長，噪聲源的一半電壓會施加到該導體上。這會與另一個導體形成一種偶極子天線。電壓驅動型模型允許使用從傳輸線突出的導體以這種方式形成天線。
這時，在天線中流動的電流會流經浮動靜電容量Cant，如圖所示。
圖7 電壓驅動模型
[page](3) 接地越寬，共模電壓越低
圖7描述了這樣一種機制: 如果將更長的線路作為數字電路的接地，共模電流會流經數字電路的接地（如圖8(a)所示）。即使信號電流和接地阻抗都非常小，但由于信號線中存在電壓（噪聲源），于是產生了電流。
在這種情況下，關于接地中產生的共模噪聲電壓，應該作何考慮？通過改動圖8(a)中的模型，各信號線和接地都應考慮朝向地線的浮動靜電容量，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，隨著接地浮動靜電容量Cgnd的增加（也就是說接地尺寸增大）而降低，信號線的浮動靜電容量Csig的減小，共模電壓變小。一般而言，如果增大接地尺寸來加強接地，共模噪聲會減少。通過圖8(b)所示模型就可理解這一點。
圖8 將電壓驅動模型應用于數字電路的示例
(4) 共模噪聲流經電纜的機制
如果我們考慮將電纜接至這樣的接地時，可發現共模電流會流經電纜（如圖9所示）。可以假定此模型通過朝向地線的浮動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增加噪 聲發射的強度。此模型展示了這個現象背后的機制。
此模型解釋了電纜中流動的共模電流是如何產生的，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。但實質上是相同路線。
圖9 通過電纜傳導的共模電流
在電壓驅動型模型中，即使電流不流經信號線或接地，且沒有接地阻抗，只要信號線中存在電壓（噪聲源），共模電流就會流經浮動靜電容量。[page]
(5) 減少共模噪聲
為有效減少電壓驅動型中的共模噪聲（接地中產生電壓），需要增加Cgnd同時降低Csig也可以通過降低圖7和圖8中的Cant來減少噪聲電流。下面是有效達到這個目的的具體方法:
(i)穩定接地電勢
•擴大接地且為平板狀（增加Cgnd）
•靠攏信號線和接地（降低Csig）
•縮短信號線，避免不必要的突出（降低Cant和Csig）
(ii)降低電壓
•降低驅動電壓
•使用濾波器去除不需要的高頻率范圍
•在有浮動噪聲源（散熱器）時連接到接地
(iii)降低噪聲源的浮動靜電容量Cant
•避免誤將有強烈噪聲的元件靠近導線和金屬。
大多數噪聲抑制技術與電流驅動型模型中使用的技術一樣。
(6) 通過加強接地抑制噪聲
在如圖1所示的噪聲測試中，可以觀察到同時連接了電流驅動型噪聲和電壓驅動型噪聲。
無論采用哪種模型，降低和穩定接地阻抗都是非常重要的。例如，圖10給出了通過將MSL的寬度延長到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足夠大的接地層，可通過這種方式抑制共模噪聲。
圖10 通過加強接地抑制共模噪聲
(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在時鐘信號（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，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靜噪濾波器來抑制噪聲。
圖11 在接地不良的基板中使用濾波器抑制噪聲
