电容器与数字电路电磁兼容性设计

【摘 要】本文介绍了数字电路中的电磁干扰，分析研究了电容器以及它在数字电路电磁兼容性设计中的应用。

【关键词】数字电路;电磁兼容;电容器

电磁兼容源于英语Electromagnetic Compatibility，简称EMC。作为一门学科，可译作“电磁兼容”，而对一个设备或系统而言，可称为“电磁兼容性”。国际电工委员会（IEC）对它的定义是：“指在不损害信号所含信息的条件下，信号和干扰能够共存。”我国国家标准GB/T4365-1995《电磁兼容性术语》中定义为：“设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能忍受的电磁骚扰的能力”。可见，电磁兼容包含两方面的含义：一是指电磁敏感性，即设备或系统的抗干扰能力;另一方面是指电磁干扰特性，即是对同一电磁环境中其他设备或系统产生的干扰。

在人类尚未使用电能之前，地球上就已经存在雷电等自然的电磁现象，随着十九世纪电磁学的萌芽和发展，利用电磁效应工作的设备越来越多，电磁污染也日益严重，电磁干扰和抗干扰逐渐引起人们的关注。

一、数字电路的干扰分析

随着大规模集成电路和计算机技术的快速发展，数字电路在电子设备和系统中的应用越来越广泛，作用也越来越重要。由于数字电路中元器件的种类和数量不断增加， PCB板的层数越来越多，体积却越来越小，线路排布也日益复杂，信号工作频率越来越高，这些电路产生的电磁干扰日趋严重，同时它们又是敏感设备，极易受到干扰。

对数字电路来说，干扰来源主要有以下几方面：（一）时钟信号干扰：在高速数字电路中，时钟电路通常是电磁噪声的最大来源，在现代高速DSP系统中，时钟电路常可产生高达300MHZ的谐波发射干扰;（二）反射干扰：在数字电子设备和系统中，往往需要传输很多时钟信号和数字信号，这些传输线很难做到与终端阻抗相匹配，这样信号就会在阻抗不连续处发生反射，使信号波形发生畸变和失真，反射还会降低器件的噪声容限，增加传输延迟时间，严重时可能使电路无法正常工作;（三）串扰：包括前向串扰（电容性）和后向串扰（电感性），是指信号在传输过程中，由于耦合在其相邻信号线上引起的干扰，大多发生在平行传输线之间，如扁平电缆、束捆导线或PCB上的平行布线等。（四）电源线干扰：由于电源线存在较大电感，当数字逻辑电路尤其是动态储存器件和门电路在工作过程中逻辑状态高速变化时，电源输出端会产生一个较大的瞬态电流，这一瞬态电流具有很陡的上升沿和下降沿，包含丰富的谐波分量，将会产生高频噪声通过电源线向外辐射;（五）地线干扰：由于地线阻抗的存在，实际上各个接地点并非等电位，各部分地线之间存在电位差。

二、常用电容器和穿心电容

电子电路中常用的电容器有以下几种：（一）铝电解电容器：它是在绝缘薄层之间缠绕螺旋状金属箔制成的，这样由于相对面积较大可在单位体积内得到较大的电容值，但这种结构也使其内部电感增加，通常只能用于普通场合;（二）钽电解电容器：由一块带直板和引脚连接点的绝缘体制成，其高频阻抗特别小，在500kHz～20MHz范围内阻抗小于1Ω，而且漏电流也很小（通常在0.5μA以下），其内部电感也比铝电解电容要低，常用于要求较高的场合;（三）陶瓷电容器：也称为陶质电容器，它采用陶瓷材料作为绝缘体，在绝缘体中包含多个平行的金属片，通常只在低于1MHZ的区域造成阻抗。绝缘材料的不同频响特性意味着不同类型的电容器有不同的应用场合，铝电解和钽电解适用于低频终端，主要是存储器和低频滤波器领域;陶质电容比较适合中频范围（从KHZ到MHZ），常用于去耦电路和高频滤波;特殊的低损耗陶质电容适合于甚高频和微波电路。

在实际工程中，要滤除的电磁噪声频率往往高达数百MHz，甚至超过1GHz，对这样高频的电磁噪声普通电容不能有效地滤除，必须使用穿心电容才行。一方面原因是普通电容器的引线电感造成电容谐振，对高频信号呈现较大的阻抗，削弱了对高频信号的旁路作用;另一个原因是导线之间的寄生电容使高频信号发生耦合，降低了滤波效果。

三、电容器在数字电路电磁兼容设计中的应用

电容器在数字电路电磁兼容性设计中的应用主要是两个方面：一是作为旁路电容，其主要作用是产生一个交流分路，以减小对电源模块的瞬态电流要求，消除高频辐射噪声，通常选用铝电解和钽电解作为旁路电容。其电容值取决于PCB板上的瞬态电流需求，一般在10-470μF范围内，若PCB板上有许多集成电路、高速开关和引线较长的电源，应选择大容量的电容器。需要注意的是，在选取电容器的时候并不是容量越大越好，因为普通电容器都有引线电感，电容越大，其谐振频率越低，当信号频率大于谐振频率时，电容就会呈感性阻抗，滤波效果就会变差;二是用作退耦电容，又称去耦电容。在数字电路中，当电路从一个状态转换为另一种状态时，就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬变的噪声电压，使用去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声，还可以滤除高频器件在PCB板上引起的辐射电流，为器件提供一个局部的直流电源，将噪声引导到地，减少开关噪声在板上的传播，降低PCB中的浪涌峰值。

通过大量的工程实践和测试分析表明，为保证电路的电磁兼容性，去耦电容一般应按如下规则设置：（一）电源输入端一般应跨接一个10～100μF的电解电容器，如果印制电路板的位置允许，采用100μF以上的电容器抗干扰效果会更好。（二）要为每个集成电路芯片配置一个0.01μF的陶瓷电容器，如遇到印制电路板空间小而装不下时，可每4～10个芯片配置一个1～10μF钽电解电容器。为了得到更好的电磁兼容性，去耦电容应尽可能靠近每个集成块，放置于板的正面，芯片的下方，这样去耦效果较好。（三）对于噪声能力弱、关断时电流变化大的器件和存储型器件，应在芯片的电源引脚（Vcc）和地线引脚（GND）间直接接入去耦电容。（四）当高速超大规模集成电路（VLSI）器件的信号速率较高时，就会产生射频电流，这时通常采用一个大电容和一个小电容并联的做法，可以在更宽的频谱范围内消除电源噪声，这两个电容的取值应相差两个数量级，以提供更有效的去耦。一般采用0.1μF和0.001μF并联，对于50MHZ以上的时钟频率，可用0.01μF和100PF并联。

最后还应注意，在工程应用中，旁路电容和退耦电容都应尽可能靠近电源输入端放置，以帮助滤除高频噪声;去耦电容的引线要尽量短，高频旁路电容不能带引线。

作者简介：胡静（1972.5-），女;汉族;贵州龙里人，在职硕士，副教授 主要从事电工电子教学及研究。

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