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数字电路中△I噪声的危害

作者:时间:2010-12-22来源:网络收藏

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/187674.htm

  式中,IP为电源电流尖峰脉冲的峰值,tT=t2-t1=t4-t3为TP和TN同时导通的时间,f为输入信号的频率。

  根据CMOS反相器对负载电容充、放电电流的波形,可求得iP和iN所产生的平均功耗为[1,2]:

  

公式

  式中, iP、iN分别表示负载电容CL充、放电电流。

  CMOS反相器的动态功耗比静态功耗大得多,一般情况下,静态功耗可以不予考虑。

  例如,对一个专门的CMOS反相器,VDD=15V,静态电源电流IDD≤1μA,负载电容=60pF。输入信号为理想的矩形波,频率f=100kHz。据式(6)可得PC=CL f V2DD=1.35mW,而静态功耗为PS=IDDVDD=0.015mW,显然,PC>>PS。

  值得注意的是,随着数字IC的发展,频率f(工作速度)不断提高。同时,数字IC中门的数目越来越多,芯片上总电容(CL)也在增加。这都将引起功耗进一步增大。

  从上述分析可见,△I噪声会引起的功耗明显增加,且随着向高速度和大规模方向的不断发展,这一问题会越来越突出,已逐步成为数字设计的关键问题之一。

  5 辐射发射

  对△I噪声引起的辐射发射,小环天线方式是主要的。

  设小环天线的环路面积为A、电流大小为I、电流频率为f,则在距离为r处的自由空间的辐射电场强度为[9,10]:

  

公式

  式(8)表明,小型环状天线的辐射强度与电流大小I、电流频率的平方及环路面积A成正比。

  由△I噪声的基本特点可知, △I噪声引起的辐射发射十分复杂,与很多具体因素有关,定量计算是很困难的。为了对△I噪声引起的辐射发射的强度有一个定量的概念,作如下分析。

  利用式(8)解环路面积A,可得到不超过标准发射限值的最大环路面积。面积A可表示为:

  

公式

  式中, ER表示辐射电场强度(μV/m),r表示环路与测量点的距离(m),f为电流频率(MHz),I为电流大小(mA),A为环路面积(cm2)。

  对一个TTL反相器,若取I=35mA,f=30MHz,r=3m,ER=100μV/m,则由式(9)可求得A=3.6cm2。

  r=3m时ER=100μV/m是美国FCC(Federal Communications Commission)标准B类产品(住宅应用)所允许的辐射限值。也就是说,当I=35mA、f=30MHz时,若A>3.6cm2,则辐射超标。

  若再考虑到△I噪声具有叠加性,以及的速度越来越高,则△I噪声引起的辐射发射问题更为严重。现在△I噪声引起的辐射发射已成为很多数字系统(电子产品)难以通过EMC强制测试认证的主要原因。

  △I噪声主要引起数字系统的电源电压波动、电路内部噪声、输出波形畸变和传播延迟、功耗增加、辐射骚扰等严重问题。这些危害集中体现在两个方面。一方面会导致系统本身性能下降、工作出错甚至完全失效。对系统本身造成的危害一般是多方面的,且往往相互交错。另一方面会导致系统的辐射发射超标。辐射发射超标已成为很多数字系统(电子产品)不能通过EMC强制测试认证的主要原因。

  △I噪声的危害,与很多具体因素有关,一些危害相互交错、相互影响,很难对它们进行简单地分类。所以,目前对其建模与仿真尚在研究阶段,是EDA技术中最困难的问题之一。


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关键词: 数字电路

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