EMI，LC 谐振，二极管钳位电路以及信号完整性（SI）技术文章分享
EMI测量接收机与频谱分析仪
一、EMC测量接收机：
测量接收机是电磁干扰测量最基本的设备，其频率可从20Hz到40GHz。除谐波电流和电压波动之外，其他的电磁骚扰测试项目都需要使用它。测量接收机是一台具有符合EMC测量特殊要求的频谱分析仪，适用于测量微弱的连续波信号和幅值很强的脉冲信号。基本要求有：噪声小、灵敏度高、动态范围大、过载能力强，在整个测量频段内测量精度能满足±2dB。
1.1、EMC测量接收机的工作原理：
EMC测量接收机测量信号时，先将仪器调谐于某个测量频率 ƒi,该频率经高频衰减和高频放大器后进入混频器，与本地振荡器的频率ƒ1混频，产生很多混频信号。经过中频滤波器后中频ƒo=ƒ1-ƒi。中频信号经中频衰减器、中频放大器后由包络检波器进行检波，滤去中频得到低频A(t)。对A(t)加权检波，根据需要选择检波器，得到A(t)的峰值、准峰值、有效值、平均值。这些值经放大后在显示屏上显示。
EMC接收机测量的是输入到其端口的信号电压，为测场强或干扰电流需要借助一个换能器，在其转换系数的帮助下，将其测量到的端口电压变换为场强（单位µ V/m、dB V/m）、电流（单位A、dB µA）或功率（单位W、dB µW）。换能器依测量对象不同可以是天线、电流探头、功率吸收钳或电源阻抗稳定网络（ISN&LISN)等。
1.2、EMC测量接收机的原理框图：
输入衰减器：
可将外部进来的过大信号或干扰电平衰减，调节衰减量大小，保证输入电平在测量可测范围之内，同时也避免过电压或过电流造成测量接收机的损坏。电磁干扰接量接收仪无自动增益控制功能，用宽带衰减器改变量程，它的目的是客观测定和反映其输入信号大小。
预选器：
接收机采用的预选器为带通滤波器，以抑制镜像干扰和互调干扰，改善接收机的信噪比，提高总机灵敏度。
标准信号发生器：
测量接收机本身提供的内部标准信号发生器，它提供一种具有特殊形状的窄脉冲，能保证在干扰仪工作频段内具有均匀的频谱密度。它可随时对接收机的增益进行自校，以保证测量值的精确。
高频放大器：
利用选频放大原理，仅选择需要测量的信号进入下一级电路，而外来的各种杂散信号（镜像频率信号、中频信号、交调谐波信号）均排除在外。
混频器：
将来自高频放大器的高频信号，和来自本地振荡器的信号合成产生一个差频信号输入给中频放大器，由于差频信号的频率远低于高频信号频率，使中频放大器的增益得以提高。
²中频处理电路（中频滤波器、中频衰减器、中频放大器）：
由于中频放大器的调谐电路可提供严格的频带宽度，有能获得较高的增益，因此可以保证接收机的总选择性和总机灵敏度。
检波器：
EMC接收机的检波方式与普通接收机有很大差异，EMC接收机除可接收正弦波信号，更常用于接收脉冲干扰信号。因此EMC接收机除有平均值检波功能外，还增加了峰值检波和准峰值检波。
1.3、EMC测量接收机的检波方式介绍：
平均值检波：
其最大特点是检波器的充放电时间常数相同，特别适用于对连续波的测量。积分时间常数很长，可以达到秒级。
峰值检波：
它的充电时间常数很小（100ns），即使是很窄的脉冲也能很快充电到稳定值。当中频信号消失后，由于电路的放电时间常数很大（100s），检波的输出电压可以在很长一段时间内保持在峰值上。
峰值检波的特点首先在军用设备的骚扰发射实验中被优先采用，因为很多军用设备只要单脉冲激励就可以造成爆炸或数字设备误动作，而无象民用设备那样讲究时间的积累。
准峰值检波：
这种检波器的充电时间常数介于平均值检波器和峰值检波器之间（充电时间常数1ms，放电时间常数160ms），在测量周期内的检波输出即与脉冲幅度有关，又与脉冲重复频率有关，其输出与干扰对听觉造成的效果一致。因为早期CISPR研究的就是广播系统中的干扰，由于准峰值适用于无线电干扰噪声的特性，所以CISPR推荐准峰值检波器。
有效值检波：
随机噪声是指某些电子元器件工作时发出的噪声，在信息传输过程中因串扰等引起的噪声。其特点是杂乱无章，有些随机噪声符合正态分布规律，对它们来说峰值是无价值，因此，通常采用有效值与平均值检波器。
在EMC测试中，有效值检波器极少使用，通常会使用峰值检波器、平均值检波器，而准峰值检波器由于扫描时间较长，通常会采用峰值检波器预扫。
二、频谱分析仪：
频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器，用于信号失真度、调制度、谱纯度、频度稳定度和交调失真等信号参数的测量，可用以测量放大器和滤波器等电路系统的某些参数，是一种多用途的电子测量仪器。它又可称为频域示波器、跟踪示波器、分析示波器、谐波分析仪、频率特性分析仪或傅立叶分析仪。
频谱分析仪按显示方式分为模拟频谱分析仪和数字频谱分析仪；又分为扫频式和实时分析式。频谱分析仪的主要技术指标有频率范围、分辨率、分析谱宽、分析时间、扫描速度、灵敏度、显示方式和假响应。
2.1、频谱分析仪的工作原理：
工作原理是输入信号经衰减器直接外加到混波器，可调变的本地振荡器经与CRT 同步的扫瞄产生器产生随时间作线性变化的振荡频率，经混波器与输入信号混波降频后的中频信号（IF）再放大、滤波与检波传送到CRT 的垂直方向板，在CRT 的纵轴显示信号振幅与频率的对应关系，信号流程架构如下图所示：
频谱分析仪原理框图
2.2、频谱分析仪简易探头制作：
目前实验室较常使用的探头有两种：圆圈状探头、金属触点接触探头。
圆圈状探头：
在75Ω/50Ω CABLE的芯线和屏蔽线之间焊接一根多股线，构成一个磁场探头，灵敏度与圈的面积成正比。
金属触点接触探头：
在75Ω/50Ω CABLE的芯线串接一个47pF电容，电容的另一端作为输出，去接触测试PIN来查找干扰源。
针式探头使用注意事项：
首先针式探头必须增加隔直电容，否则当直流电平经探头进入频谱分析仪信号输入模块容易烧坏频谱分析仪。另外虽然输入端有增加隔直电容，但当交流输入电压大于24V以上时，会导致频谱分析仪放大模块由于输入幅度过大而烧坏。
2.3、频谱分析仪近场与天线远场的区别与联系：
在近场区干扰源主要以电场与磁场的方式向外辐射，而在远场区干扰源主要以电磁场的方式向外辐射。利用频谱分析仪+探头的（近场）的测试结果只供参考，整改前后的强度可以做参考，不做绝对值的判断。远场（3m EMI接收机）测试出来的不合格频点，用频谱分析仪+探头不一定能够完全找到。
2.4、借助频谱分析仪定位问题：
对于辐射测试超标频点，借助手和磁环的方式无法有效定位问题的源头时，频谱分析仪便可派上用场了，频谱分析仪可以说是EMC工程师整改的利器与法宝。
²使用圆圈状探头定位干扰源区域：
使用频谱分析仪圆圈探头，扫描被测产品内部电路板，寻找辐射超标频点所在位置区域。尖峰干扰由于辐射能量较集中容易发现，宽带干扰由于辐射能量相对分散，需要反复扫描比较确认。
使用针式探头定位干扰源具体位置：
在圆圈状探头确认的区域位置内，使用频谱分析仪针式探头逐点扫描。有时干扰源能量非常强大，由于走线耦合，主芯片内部耦合导致辐射频点出现在不同的信号布线上，此时需要对干扰源区域范围内，每条信号布线辐射能量测量比较扫，寻找辐射能量最大的一个点或者几个点增加抑制措施，测试辐射频点变化情况。有时还可能出现增加抑制措施无明显变化的情况，需调整不同组滤波参数观察辐射频点变化情况，直至问题解决。
²借频谱分析仪定位流程：
查看原文：
https://www.dianyuan.com/eestar/article-8363.html
LC 谐振电路
之前的文章 使用示波器观察电流的超前和滞后 中我们学习了交流信号在通过电感和电容时，其电压和电流的超前和滞后关系，并利用示波器观察了这一现象。
今天，我们看一下电路中电感和电容一起出现时会发生什么有趣的事情。
什么是谐振
在了解什么是谐振（Resonance）之前我们先聊聊物体的固有频率和共振。
固有频率是由物体的密度、外形等物理因素决定的一个振动频率。
而施加外力使他振动的频率叫策动频率。
当策动频率等于固有频率时，物体产生谐振，到达最大振幅。
在不同的领域中，共振有着不同的称呼：
在力学中，称为共振
在升学中，称为共鸣
在电学中，称为谐振
LC 谐振电路
LC 电路，也称为谐振电路（resonant circuit），是包含一个电感（用字母L表示）和一个电容（用字母C表示）连接在一起的电路。
LC 电路受外部电压驱动时，以其自然谐振频率（resonant frequency）振荡。
LC 电路的谐振荡频率可以用如下公式计算：
当外来频率与 LC 电路固有的频率相同时，振幅最大，也就是谐振。
在 阻抗、电抗、容抗和感抗的区别和联系，你真的懂吗？ 一文中，我们学习了感抗和容抗的计算公式。
感抗 XL 的计算公式如下：
容抗 XC 的计算公式如下：
对于 LC 谐振电路来说，当外部输入信号的频率等于其自身的谐振频率时，LC 电路中的容抗和感抗相等，即 XL = XC, 因此，我们使用数学符号表达 LC 谐振电路如下：
串联 LC 谐振电路
串联 LC 电路如下图所示：
因为是串联电路，流过电感和电容的电流是相等的。
我们知道，对于通过电感和电容的交流信号来说，电压和电流有相位差。
下图是串联 LC 电路电压和电流波形图。
第一幅图：是串联电流，电感和电容相同。
第二幅图：对于电感来说，因为其对于电流变化有阻滞作用，导致电流变化滞后于电压变化。
第三幅图：对于电容来说，因为其对于电电压变化有阻滞作用，导致电流变化超前于电压变化。
第四幅图：电压之和为零，形成短路的效果。
上图横轴表示时间，左边的时间靠前。
任意时刻，两个电压之和为零。
LC 串联电路，谐振时相当于短路。
由感抗公式：
可以看出，当频率越低时，感抗越小。
由容抗公式：
可以看出，当频率越低时，容抗越大。
因此，当信号频率小于谐振频率时，LC 串联电路呈现出容抗，当外加信号频率大于谐振频率时时，LC 串联电路呈现出感抗。
当信号频率小于谐振频率时，LC 串联电路呈现出容抗
当信号频率大于谐振频率时时，LC 串联电路呈现出感抗
谐振频率，对于电压来说，LC 串联电路看上去像短路
实验
模拟电路的学习需要理论和实践相结合，这两者彼此相辅相成，互相促进，缺一不可。
串联 LC 谐振的实验电路如下：
我们使用示波器的数学功能，计算CH1-CH2 即为 电感两端的电压。
所使用的元器件的参数如下：
电感 ：220uH
电容：100nF
信号源设置如下：
频率：33.932 kHz
计算感抗、容抗如下：
XL = 2piFL = 2* 3.1415926*33.932 kHz *220uH = 47Ω
XC = 1/(2piFC)= 1/(2 * 3.14926 * 33.932kHz * 100nF) = 47Ω
面包班上搭建的实验电路如下：
测出的波形如下：
紫色的数学通道是 CH1-CH2 , 测量的是电感两端的电压。
青色的 CH2 测量的是电容两端的电压。
黄色的 CH1 测量的是总电压，基本为零，等同于短路。
如果我们增加频率至 52 kHz：
可见，当频率大于谐振频率时，由于感抗大于容抗，电感两端分得的电压增加了，电路以感抗为主，电路呈现出感性。
增加频率超过谐振频率时，有如下关系：
电感两端信号的幅度增大
电容两端信号的幅度减小
但是信号的相位始终相差 180°，不变。
我们减小频率，波形如下：
减小频率时，容抗增大，感抗减小：
电容两端信号的幅度增大
电感两端信号的幅度减小
串联 LC 谐振电路可以从复杂的信号中挑选出特定频率的信号，也就是带通滤波器。它们是许多电子设备（尤其是无线电设备）的关键组件，用于振荡器、滤波器、调谐器和混频器等电路。
下图是铁氧体线圈和电容组成的，用作无线电时钟接收器中的调谐电路。
下图是短波无线电发射机输出调谐电路：
并联 LC 谐振电路
并联 LC 电路如下图所示:
因为是并联，电感和电容两端的电压是一致的。
下面是并联 LC 电路的电流和电压曲线。
第一幅图：是输入电压信号。
第二幅图：对于电感来说，因为其对于电流变化有阻滞作用，导致电流变化滞后于电压变化。
第三幅图：对于电容来说，因为其对于电电压变化有阻滞作用，导致电流变化超前于电压变化。
第四幅图：总电流为零。形成开路的效果。
上图横轴表示时间，左边的时间靠前。
IL 是电感电流，滞后于电压变化， IC 是电容电流，超前于电压变化。IT 是总电流。
LC并联电路谐振时候相当于开路。
实验
当频率为谐振频率时，峰峰值最大，波形如下：
当频率大于谐振频率时，幅度减小：
当频率小于谐振频率时，幅度也会减小：
总结
对 LC 电路施加的外部信号等于其谐振频率时，感抗和容抗相等。
串联 LC 电路，施加的为外部信号等于其谐振频率时，相当于短路。
并联 LC 电路，施加的为外部信号等于其谐振频率时，相当于开路。
查看原文：
https://www.dianyuan.com/eestar/article-8471.html
关于二极管钳位电路的思考及学习
这个电路大家应该都见过，有的芯片内置了，有的则是放在芯片外部。有这个保护二极管的话，当外部过压的时候，可以将IO口的最大正向电压钳位在VDD+Vd（二极管压降），最小负压钳位到0-Vd，从而达到保护IO口的目的。
然后我在看《你好，放大器》的时候读到了这一章内容也是相关这个保护二极管的。大概的意思是，很多LDO的输出是射极输出，即这种LDO没有吸纳电流的能力，那么这种形式的存在就导致了这种二极管保护电路，当输入电压过压时电流不可能往电源内部流，而是只能通过二极管后流向负载，那么这种就会损坏负载，烧毁系统。
所以说，这个保护电路还是需要谨慎使用。不过我不太明白的一点是，如果供电是BUCK拓扑，或者是Boost拓扑，那么是不是使用这个二极管钳位保护电路的时候也应该谨慎？如果您对此有所了解，欢迎私信。同时我也在ADI的文章里看到了这个电路，也分享给各位，ADI的电路中不仅仅使用了二极管做端口钳位保护；同时他还增加了一个稳压管，应该也是出于这方面的考虑。下面是ADI文档中的截图《CN0287》:
在此电路中，TVS管PTVS30VP1UP可以快速钳位一些瞬态的电压到30V，同时它的漏电流也非常非常小（25℃的时候典型漏电流为1nA），这个管子也很推荐大家使用，漏电流很小。
使用1.69kΩ电阻，后接低漏电流BAV199LT1G肖特基二极管，用于在瞬变和直流过压时发生时将电压钳位，防止损毁IO。BAV199是一颗超低漏电流的肖特基二极管，这个也非常推荐大家使用，比如在一些精密测量的场合，就对漏电流会非常讲究。下图是BAV199的手册，常温25℃下，在反向电压为75V时，典型漏电流为3pA，最大漏电流5nA，这一参数非常好。
在30V直流过压条件下，1.69kΩ电阻将流过外部二极管的电流限制为15mA。为了确保供电轨能够吸取该电流，可使用齐纳二极管将供电轨进行钳位处理（加齐纳二极管应该就是防止出现《你好，放大器》中描述的问题），以保证它不超过连接电源的任意IC的绝对最大额定值。选择5.6V齐纳二极管(NZH5V6B)实现这一目的。300Ω电阻可进一步限制有可能进入MCU的电流。
查看原文：
https://www.dianyuan.com/eestar/article-8472.html
导致信号质量的5类因素
信号完整性（SI）表示接收端能识别所发送的信号，也就是传输系统要保证信号不失真。在实际的产品设计中，所谓的传输系统就是传输线。引起信号在传输线的质量问题就是反射、串扰等引起的信号衰减问题。
阻抗突变引起的衰减
阻抗突变会引起信号反射，导致振铃和失真。引起阻抗突变的因素：
信号层面转换的过孔
返回路径平面的不连续
连接器引脚
……
传输延迟导致的衰减
信号从源端到终端是有时间限制的，信号与时钟到达终端的差别越大，采样误差越大，这种情况下，信号速率越高，采样率越高的情况下，允许延迟偏差越小。
实际工作中，一般进行信号线长的匹配，其实需要等时匹配，比如不同层数的信号，长度不同，也是有延迟。
层面不同引起的衰减
除了表层和内层的信号速率误差引起的问题，还要注意表层趋肤效应，以及不同层材料耗散因数不同引起的损耗误差，上升时间变长会造成信号识别的问题。
串扰和噪声引起的衰减
耦合是信号之间互容和互感引起的，信号之间的互容和互感会引起串扰的问题。
解决串扰问题的有效手段就是空间，还有就是使用差分信号，这个也是解决EMI的有效手段。
接地反弹引起的衰减
信号在传输过程中，经过连接器引脚和走线，参考平面的电平是不一样的，所以不同点的接地会造成接地电平不一样，会造成接地反弹，以此会造成信号完整性的问题。
总结来说，需要关注信号衰减问题本质的原因就是信号的上升时间变短。
查看原文：
https://www.dianyuan.com/eestar/article-8467.html
更多精彩内容，尽在电子星球 APP（https://www.eestar.com/）
更多精彩内容：