如何降低微控制器系统中的噪声影响（1）

在我理想的数字世界中，也是我经常梦想的，就是信号电压裕量总是正的，信号时序裕量总是正的，电源电压总是在工作电压范围内，芯片的工作环境是完全良性的。

作者：Graeme Clark，Jackie Chen

不幸的是，我们没有人生活在这个理想的世界里，无论我多么想。现实世界是嘈杂的和让人不愉快的，我们设计中的供电从来都不是完美的。电源电压可能降至正常工作电压范围以下，从而导致系统故障；开关瞬变会产生噪声并降低信号裕量；阻抗不连续性会使信号失真，从而降低信号裕量等等。

图1

更糟糕的是，因为应对静电放电，雷电浪涌导致的系统中断或破坏，我们还把来自内部和外部源的噪声进行了辐射或传导，同时热应力、机械应力和组件老化等等都可能导致系统故障。在这个简短的系列博客中，我想看看其中的一些问题，以及我们可以应用于设计的一些措施，以消除或至少最小化其中一些问题。

在本篇文章中，我想看看一些典型的噪音源。此处表格显示了电磁兼容性（EMC）的两种类型。EMC被定义为电子设备在其预期的电磁环境中正常运行的能力。

EMC包括两种不同的类型：EMI（电磁干扰）以及EMS（电磁耐受性）。EMI通常被称为辐射噪声，是指设备本身在执行正常功能的过程中所产生不利于其它系统的电磁噪声，而EMS被称为噪声敏感性，是指设备在执行应有功能的过程中不受周围电磁环境影响的能力。

在下表中，您可以看到不同类型的EMC及其引起的典型现象。第三列列出了一些可能受到EMI和EMS影响的典型产品，导致操作干扰或系统损坏。此列表只是做了一些简单举例，目的是为了显示一些典型案例。

图2

25年前，像瑞萨H8系列这样的产品，采用的是当时相当先进的工艺技术实现，使用1.0μm甚至0.8μm CMOS技术。但今天的产品采用了先进得多的工艺技术，像我们RA微控制器系列中的最新产品采用的是40纳米技术，线宽比以前使用的H8小25倍。

随着最新器件中的晶体管尺寸变小，更重要的是，晶体管开关频率变快，噪声成为导致器件故障的一个日益增加的因素。

图3

在上图中，您可以看到使用新旧技术的器件之间的简化比较，上半部分显示的是沟道长度为1μm的晶体管操作，该器件通常以当时的8 MHz快速时钟工作，晶体管开关速度较慢，信号宽度远比噪声宽度要宽，而下半部分为晶体管沟道长度为40nm的新器件，工作频率高达200 MHz或更高，这样在同样的噪声条件下，区分噪声与有效信号就会变得更困难。同时在这种情况下，你可以看到切换时间要快得多，对于最新的设备，我们试图处理的信号可能比噪声信号快。因此，当我们转向更小的工艺制程时，噪声将成为一个更大的问题。瑞萨在芯片设计上采取了许多相对应的措施，设计了有助于在这种环境下工作的功能，比如精心设计的电源电路，优化的I/O缓冲器以及专业的保护电路等。但尽可能地在应用设计中减少这些噪声仍然非常重要，因为如果噪声最后进入设备，都是很难消除的。

在本系列的下一篇文章中，我们将更详细地介绍一些典型的噪声源。