电磁兼容(第四章)电路平衡与滤波

1、第四章第四章 电路平衡与滤波电路平衡与滤波 第一节第一节 电路平衡电路平衡 第二节第二节 电源去耦电源去耦第一节第一节 电路平衡电路平衡 平衡电路是一个双导线电路。平衡电路是一个双导线电路。在平衡电路中，两导线和在平衡电路中，两导线和与之相连的所有电路的对地阻抗以及对所有其它导线的阻与之相连的所有电路的对地阻抗以及对所有其它导线的阻抗都是相等的。抗都是相等的。 一、平衡电路一、平衡电路 平衡电路的目的：是使两根导线上拾取的噪声相等。平衡电路的目的：是使两根导线上拾取的噪声相等。在在平衡的条件下，两根导线拾取的噪声是一个能够在负载中平衡的条件下，两根导线拾取的噪声是一个能够在负载中相互抵消的共模

2、信号。相互抵消的共模信号。 使用平衡技术抑制噪声非常经济，在某些应用场合，平使用平衡技术抑制噪声非常经济，在某些应用场合，平衡常用来替代屏蔽而成为主要的噪声抑制手段。衡常用来替代屏蔽而成为主要的噪声抑制手段。 若单独使用平衡技术或屏蔽技术不能达到期望的噪声抑若单独使用平衡技术或屏蔽技术不能达到期望的噪声抑制效果，可以将屏蔽技术和电路平衡技术联合使用获得更制效果，可以将屏蔽技术和电路平衡技术联合使用获得更大的噪声抑制比。大的噪声抑制比。 二二、平衡电路模型、平衡电路模型 差分放大器是最简单的平衡电路，但它并不是一个完整的平衡点路。差分放大器是最简单的平衡电路，但它并不是一个完整的平衡点路。差分放

3、大器之提供了一个平衡的负载，由于信号源内阻的存在，源是不差分放大器之提供了一个平衡的负载，由于信号源内阻的存在，源是不平衡的。平衡的。 只有同时实现源和负载对地的平衡，才能真正实现电路平衡。只有同时实现源和负载对地的平衡，才能真正实现电路平衡。 电路平衡需要电路电路平衡需要电路输入的两个环路完全对输入的两个环路完全对称，所以差分电路平衡称，所以差分电路平衡的条件为：的条件为： RS1=RS2RL1=RL2VN1=VN2 电路中负载两端的电压为：电路中负载两端的电压为：)(2L1LS2L2N1L1NLRRIRIRIV电路平衡时电路平衡时IN1=IN2，所以：，所以：)(2L1LSLRRIV哦，真

4、的不错，只是那哦，真的不错，只是那VN是噪声哎！是噪声哎！你能控制源，难道还能控制噪声吗？你能控制源，难道还能控制噪声吗？这正是问题的关键，如果你不能保证进入系统的噪声这正是问题的关键，如果你不能保证进入系统的噪声是共模的，那么一切努力都将化为是共模的，那么一切努力都将化为-乌有。乌有。三三、平衡导线拾取的噪声、平衡导线拾取的噪声 根据平衡电路要求，接收器两导线源和负载端对地电阻必须相等。而要根据平衡电路要求，接收器两导线源和负载端对地电阻必须相等。而要想构成平衡导线传输，想构成平衡导线传输，噪声源和两根接收导线之间的耦合电容也必须相等噪声源和两根接收导线之间的耦合电容也必须相等：C31=C3

5、2=C3。同时还必须保证接收器。同时还必须保证接收器两导线源端和负载端对地的寄生电容必两导线源端和负载端对地的寄生电容必须相等。须相等。此时，耦合到两根接收到线上的电压为：此时，耦合到两根接收到线上的电压为：VN1=VN2=jC3V3R若将噪声耦合等效为接收器与地之间的电流源，则：若将噪声耦合等效为接收器与地之间的电流源，则：IN1=IN2=jC3V3四四、平衡导线接收器的等效电路、平衡导线接收器的等效电路电路中：电路中： CS1=CS2=CS为接收器源为接收器源端对地寄生电容。端对地寄生电容。 CL1=CL2=CL为接收器为接收器负载端对地寄生电容。负载端对地寄生电容。电路为平衡结构，所以：

6、电路为平衡结构，所以：RS1=RS2=RS; RL1=RL2=RL 信号电缆传输线为平衡导信号电缆传输线为平衡导线，所以：线，所以：IN1=IN2=IN VG为接收器源与负载端的为接收器源与负载端的接地电位差，在两根导线接地电位差，在两根导线中形成的共模电流为：中形成的共模电流为：IG1=IG2=IG 电路中负载两端的噪声电压为：电路中负载两端的噪声电压为：VN=ZL1(IG1-IN1)-ZL2(IG2-IN2)式中：式中：ZL1=RL1/CL1，ZL2=RL2/CL2，因此：，因此：ZL1=ZL2，VN=0 平衡导线可以使用双绞线，这样当电路平衡时，即使双绞线没有屏蔽也平衡导线可以使用双绞线

7、，这样当电路平衡时，即使双绞线没有屏蔽也可以即防磁场耦合又防电场耦合。实际中由于很难获得绝对的平衡，所以可以即防磁场耦合又防电场耦合。实际中由于很难获得绝对的平衡，所以这时如果使用屏蔽双绞线可以获得更大的噪声抑制能力。这时如果使用屏蔽双绞线可以获得更大的噪声抑制能力。 通常平衡导线都使用双绞线或屏蔽双绞线，因为它们本身就具有平衡结通常平衡导线都使用双绞线或屏蔽双绞线，因为它们本身就具有平衡结构。由于同轴电缆是非平衡结构，所以要在平衡系统中使用同轴电缆，必构。由于同轴电缆是非平衡结构，所以要在平衡系统中使用同轴电缆，必须采用双电缆结构。须采用双电缆结构。 五、平衡电路的测量五、平衡电路的测量 电

8、路的平衡程度常用平衡度或共模抑制比电路的平衡程度常用平衡度或共模抑制比(CMMR)来表示，通常用分贝来表示，通常用分贝(dB)来表示。共模噪声之所以能够形成干扰，就是因为电路中存在不平衡。来表示。共模噪声之所以能够形成干扰，就是因为电路中存在不平衡。dBVV20lg平衡度MN若源内阻远小于负载电阻，若源内阻远小于负载电阻，那么共模电压那么共模电压VC=VN，所以：，所以：dBVV20lg平衡度MC 这样，我们就可以在负载这样，我们就可以在负载端直接进行平衡度的测量了。端直接进行平衡度的测量了。因为实际当中，源和负载之因为实际当中，源和负载之间可能会有很长的距离间可能会有很长的距离 平衡度越好，

9、电路共模噪声抑制的效果就越好。对于一个设计优良的电平衡度越好，电路共模噪声抑制的效果就越好。对于一个设计优良的电路，达到路，达到60dB80dB的平衡度是合理的。要想平衡度超过这个范围，也是的平衡度是合理的。要想平衡度超过这个范围，也是可能的，但需要使用特殊的电缆，并且对电路进行处理。可能的，但需要使用特殊的电缆，并且对电路进行处理。 系统的平衡度取决于源、信号线和负载的平衡，其中也包括寄生电容和系统的平衡度取决于源、信号线和负载的平衡，其中也包括寄生电容和阻抗的平衡。阻抗的平衡。 六、平衡电路实例六、平衡电路实例例：有一个平衡度为例：有一个平衡度为60dB的电路，使用非屏蔽电缆。由于电场耦合

10、，每根的电路，使用非屏蔽电缆。由于电场耦合，每根电缆拾取的共模电压为：电缆拾取的共模电压为：300mV，耦合到负载上的噪声降低，耦合到负载上的噪声降低60dB为为300V。如果围绕传输导线放置一个接地屏蔽层，则电缆拾取的共模电压下降到如果围绕传输导线放置一个接地屏蔽层，则电缆拾取的共模电压下降到13mV，耦合到放大器上的噪声电压再下降，耦合到放大器上的噪声电压再下降60dB，则为，则为13V。 上面的例子说明屏蔽和平衡电路抑制共模噪声的原理是不同的，它们的上面的例子说明屏蔽和平衡电路抑制共模噪声的原理是不同的，它们的抑制效果是可以相互叠加的。抑制效果是可以相互叠加的。屏蔽能够减小耦合到导线上共

11、模噪声幅度，屏蔽能够减小耦合到导线上共模噪声幅度，而平衡则能够抑制共模噪声在负载上形成差模电压。而平衡则能够抑制共模噪声在负载上形成差模电压。 电路平衡与工作频率有关，频率越高越难实现电路平衡，这是因为高频电路平衡与工作频率有关，频率越高越难实现电路平衡，这是因为高频时，分布电容对电路的平衡有很大的影响。时，分布电容对电路的平衡有很大的影响。 对于一个非平衡系统，可以通过使用两个变压器，使电路的传输线部分对于一个非平衡系统，可以通过使用两个变压器，使电路的传输线部分保持平衡。保持平衡。第二节第二节 电源去耦电源去耦 理想的电源是一个阻抗等于零的电压源。理想的电源是一个阻抗等于零的电压源。典型的

12、电源配电系统，由一典型的电源配电系统，由一个直流源通过保险丝连接到一个变化的负载上，一般会在负载的两端跨接个直流源通过保险丝连接到一个变化的负载上，一般会在负载的两端跨接一个旁路电容。一个旁路电容。 实际的直流电源配电系统，直流电压源会有内阻；连接电源和负载的实际的直流电源配电系统，直流电压源会有内阻；连接电源和负载的传输线具有分布电阻、分布电容和分布电感；并且传输导线会从环境中接传输线具有分布电阻、分布电容和分布电感；并且传输导线会从环境中接收到噪声电压；用以滤波的旁路电容也具有寄生电阻和寄生电感。收到噪声电压；用以滤波的旁路电容也具有寄生电阻和寄生电感。一一、直流电源特性、直流电源特性 直

13、流电源配电系统拾取的噪声，可以通过布线技术最小化。为了分析直流电源配电系统拾取的噪声，可以通过布线技术最小化。为了分析配电系统的静态特性和动态特性，我们可以忽略配电系统所拾取的噪声，配电系统的静态特性和动态特性，我们可以忽略配电系统所拾取的噪声，并去掉旁路电容，从而将配电系统的电路简化。并去掉旁路电容，从而将配电系统的电路简化。 直流电源配电系统的静态特性，由直流电压源的内阻、传输导线的电阻直流电源配电系统的静态特性，由直流电压源的内阻、传输导线的电阻以及保险丝电阻决定。最小的最小直流负载电压可以表示为：以及保险丝电阻决定。最小的最小直流负载电压可以表示为：)RRR(I-VVTFS(max)L

14、(min)DC(min)L+= 直流电源配电系统的动态特性，是由于负载电流的瞬态变化所产生的。直流电源配电系统的动态特性，是由于负载电流的瞬态变化所产生的。负载电压的变化量是传输导线特征阻抗的函数。负载电压的变化量是传输导线特征阻抗的函数。传输线的特征阻抗为：传输线的特征阻抗为：TT0CLZ 所以，负载两端的瞬态电压变化为：所以，负载两端的瞬态电压变化为：0LLZIV 要想获得最好的动态特性，传输线的特征阻抗必须尽可能小。因此，电要想获得最好的动态特性，传输线的特征阻抗必须尽可能小。因此，电源线应当具有大电容和低电感的特性。源线应当具有大电容和低电感的特性。 然而要想获得很低的特征阻抗，并非轻

15、而易举。然而要想获得很低的特征阻抗，并非轻而易举。我们以两个平行的圆形我们以两个平行的圆形导线为例，假设：两导线间的距离为直径的导线为例，假设：两导线间的距离为直径的1.5倍，导线间的介质为聚四氟倍，导线间的介质为聚四氟乙烯。乙烯。805112120Z1210).(cosh).(/圆形平行导线的特征阻抗为：圆形平行导线的特征阻抗为：如果电介质为空气，则特征阻抗为：如果电介质为空气，则特征阻抗为：115 如果：将两个厚：如果：将两个厚：2.7mil、宽为：、宽为：50mil的扁平导体平行放在环氧树脂制的扁平导体平行放在环氧树脂制成的印刷电路板上，它们的间隔为：成的印刷电路板上，它们的间隔为：50

16、mil。平行扁平导线的特征阻抗为：平行扁平导线的特征阻抗为：113052701063120Z210.ln).(/如果电介质为空气，则特征阻抗为：如果电介质为空气，则特征阻抗为：131 可见，低特征阻抗的获得是有相当的困难的。可见，低特征阻抗的获得是有相当的困难的。如果我们将上面的例子改如果我们将上面的例子改变一下，假设扁平导体的宽度为：变一下，假设扁平导体的宽度为：250mil，两导体之间用厚，两导体之间用厚5mil的聚酯薄膜的聚酯薄膜片隔开，那么它的特征阻抗为：片隔开，那么它的特征阻抗为：4325000505377Z210./ 通常在负载电源总线上并联一个去耦电容，就能获得一个较低的特征阻通

17、常在负载电源总线上并联一个去耦电容，就能获得一个较低的特征阻抗。抗。然而由于电容具有等效串联电感，因此不能在所有频率上都保持的阻然而由于电容具有等效串联电感，因此不能在所有频率上都保持的阻抗。高频时，只有使用传输线的设计方法，才能保持低传输特征阻抗。抗。高频时，只有使用传输线的设计方法，才能保持低传输特征阻抗。二二、去耦滤波器、去耦滤波器 由于电源及其配电系统并不是一个理想的电压源，所以为每一个电路或由于电源及其配电系统并不是一个理想的电压源，所以为每一个电路或每一组电路都提供去耦是十分必要的，每一组电路都提供去耦是十分必要的，这样可以减小经过电源系统耦合的这样可以减小经过电源系统耦合的噪声。

18、噪声。 R-C去耦网络和去耦网络和L-C去耦网络都可以用于将电路和电源隔离开，以消除去耦网络都可以用于将电路和电源隔离开，以消除电路之间的耦合并防止电源噪声的进入。电路之间的耦合并防止电源噪声的进入。 R-C去耦网络中的电阻，会使负载上的电源电压下降。去耦网络中的电阻，会使负载上的电源电压下降。这不仅限制了这这不仅限制了这种结构滤波器可能使用的数量，同时也使电源的静态特特性变差。种结构滤波器可能使用的数量，同时也使电源的静态特特性变差。 L-C去耦网络可以在没有电源损失的情况下，提供更好的滤波。去耦网络可以在没有电源损失的情况下，提供更好的滤波。然而它然而它有一个谐振频率，在这个频率上滤波器传

19、输的信号可能比不使用滤波器是有一个谐振频率，在这个频率上滤波器传输的信号可能比不使用滤波器是还要大，所以必须保证滤波器谐振频率在电路的通频带以上。为了将谐振还要大，所以必须保证滤波器谐振频率在电路的通频带以上。为了将谐振是增益限制在是增益限制在2dB以下，电路的阻尼系数必须大于以下，电路的阻尼系数必须大于0.5。如果需要可以增加。如果需要可以增加一个与电感串联的电阻来提高电路的阻尼系数。滤波器的电感必须能够通一个与电感串联的电阻来提高电路的阻尼系数。滤波器的电感必须能够通过所需的电流，并且不会发生饱和现象。过所需的电流，并且不会发生饱和现象。 考虑噪声问题时，吸收式滤波器比反射式滤波器更适用。

20、在吸收式滤波考虑噪声问题时，吸收式滤波器比反射式滤波器更适用。在吸收式滤波器中，噪声电压被转换成热量损耗掉；而在反射式滤波器中，噪声被反射器中，噪声电压被转换成热量损耗掉；而在反射式滤波器中，噪声被反射回去出现在电感上，这样可能引起辐射并为其他电路带来问题，必要时可回去出现在电感上，这样可能引起辐射并为其他电路带来问题，必要时可以采用屏蔽来消除辐射。以采用屏蔽来消除辐射。三三、放大器去耦、放大器去耦 由于放大器的供电电源上存在寄生阻抗，因此它会对在电源线上产生一由于放大器的供电电源上存在寄生阻抗，因此它会对在电源线上产生一个交流电压增益。如果这个电源线上的信号电压经过电阻反馈到放大器的个交流电

21、压增益。如果这个电源线上的信号电压经过电阻反馈到放大器的输入端，那么就可能会引起寄生振荡，所以放大器必须去耦。输入端，那么就可能会引起寄生振荡，所以放大器必须去耦。四四、驱动容性负载、驱动容性负载 可驱动容性负载可驱动容性负载(如：传输线如：传输线)的射级跟随器，由于电缆寄生电的射级跟随器，由于电缆寄生电容的存在，发射级阻抗随频率的容的存在，发射级阻抗随频率的增加而下降。因此在高频时晶体增加而下降。因此在高频时晶体管集电极可以有一个很大的电压管集电极可以有一个很大的电压增益：增益：ECZZ电压增益 电路中如果这个增益电压通电路中如果这个增益电压通过晶体管基极电阻进行反馈，过晶体管基极电阻进行反

22、馈，就可能形成寄生振荡。这个振就可能形成寄生振荡。这个振荡通常随着电缆的有无而发生荡通常随着电缆的有无而发生变化。因此驱动容性负载时，变化。因此驱动容性负载时，必须进行去耦。必须进行去耦。 为了消除导线寄生电感的影响，必须为放大器提供一个良好的高频地，为了消除导线寄生电感的影响，必须为放大器提供一个良好的高频地，并且将一个电容连接在电源线和地上。这个电容应当远大于放大器发射级并且将一个电容连接在电源线和地上。这个电容应当远大于放大器发射级寄生电容，这样能供确保晶体管集电极高频增益总是小于寄生电容，这样能供确保晶体管集电极高频增益总是小于1，从而避免电路，从而避免电路发生寄生震荡。发生寄生震荡。 当放大器为多级结构时，即使在放大器电源上放置滤波电容，也不能保当放大器为多级结构时，即使在放大器电源上放置滤波电容，也不能保证晶体管的集电极增益小于证晶体管的集电极增益小于1，因此不可能完全消除寄生振荡。这时，可以，因此不可能完全消除寄生振荡。这时，可以在前级放大器的电源上增加一个在前级放大器的电源上增加一个R-C滤波器，来消除电源上的信号反馈，从滤波器，来消除电源上的信号反馈，从而避免振荡而避免振荡5、高频屏蔽、高频屏蔽 我们通常在电路的外面加上金属壳体进行屏蔽，以防止噪声进入或高我们通常在电路的外面加上金属壳体进行屏蔽，以防止噪声进入或高频电路向外