如何降低微控制器系統(tǒng)中的噪聲影響（1）

在我理想的數(shù)字世界中，也是我經(jīng)常夢想的，就是信號電壓裕量總是正的，信號時序裕量總是正的，電源電壓總是在工作電壓范圍內(nèi)，芯片的工作環(huán)境是完全良性的。

作者：Graeme Clark，Jackie Chen

不幸的是，我們沒有人生活在這個理想的世界里，無論我多么想。現(xiàn)實世界是嘈雜的和讓人不愉快的，我們設(shè)計中的供電從來都不是完美的。電源電壓可能降至正常工作電壓范圍以下，從而導(dǎo)致系統(tǒng)故障；開關(guān)瞬變會產(chǎn)生噪聲并降低信號裕量；阻抗不連續(xù)性會使信號失真，從而降低信號裕量等等。

圖1

更糟糕的是，因為應(yīng)對靜電放電，雷電浪涌導(dǎo)致的系統(tǒng)中斷或破壞，我們還把來自內(nèi)部和外部源的噪聲進(jìn)行了輻射或傳導(dǎo)，同時熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力和組件老化等等都可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障。在這個簡短的系列博客中，我想看看其中的一些問題，以及我們可以應(yīng)用于設(shè)計的一些措施，以消除或至少最小化其中一些問題。

在本篇文章中，我想看看一些典型的噪音源。此處表格顯示了電磁兼容性（EMC）的兩種類型。EMC被定義為電子設(shè)備在其預(yù)期的電磁環(huán)境中正常運行的能力。

EMC包括兩種不同的類型：EMI（電磁干擾）以及EMS（電磁耐受性）。EMI通常被稱為輻射噪聲，是指設(shè)備本身在執(zhí)行正常功能的過程中所產(chǎn)生不利于其它系統(tǒng)的電磁噪聲，而EMS被稱為噪聲敏感性，是指設(shè)備在執(zhí)行應(yīng)有功能的過程中不受周圍電磁環(huán)境影響的能力。

在下表中，您可以看到不同類型的EMC及其引起的典型現(xiàn)象。第三列列出了一些可能受到EMI和EMS影響的典型產(chǎn)品，導(dǎo)致操作干擾或系統(tǒng)損壞。此列表只是做了一些簡單舉例，目的是為了顯示一些典型案例。

圖2

25年前，像瑞薩H8系列這樣的產(chǎn)品，采用的是當(dāng)時相當(dāng)先進(jìn)的工藝技術(shù)實現(xiàn)，使用1.0μm甚至0.8μm CMOS技術(shù)。但今天的產(chǎn)品采用了先進(jìn)得多的工藝技術(shù)，像我們RA微控制器系列中的最新產(chǎn)品采用的是40納米技術(shù)，線寬比以前使用的H8小25倍。

隨著最新器件中的晶體管尺寸變小，更重要的是，晶體管開關(guān)頻率變快，噪聲成為導(dǎo)致器件故障的一個日益增加的因素。

圖3

在上圖中，您可以看到使用新舊技術(shù)的器件之間的簡化比較，上半部分顯示的是溝道長度為1μm的晶體管操作，該器件通常以當(dāng)時的8 MHz快速時鐘工作，晶體管開關(guān)速度較慢，信號寬度遠(yuǎn)比噪聲寬度要寬，而下半部分為晶體管溝道長度為40nm的新器件，工作頻率高達(dá)200 MHz或更高，這樣在同樣的噪聲條件下，區(qū)分噪聲與有效信號就會變得更困難。同時在這種情況下，你可以看到切換時間要快得多，對于最新的設(shè)備，我們試圖處理的信號可能比噪聲信號快。因此，當(dāng)我們轉(zhuǎn)向更小的工藝制程時，噪聲將成為一個更大的問題。瑞薩在芯片設(shè)計上采取了許多相對應(yīng)的措施，設(shè)計了有助于在這種環(huán)境下工作的功能，比如精心設(shè)計的電源電路，優(yōu)化的I/O緩沖器以及專業(yè)的保護(hù)電路等。但盡可能地在應(yīng)用設(shè)計中減少這些噪聲仍然非常重要，因為如果噪聲最后進(jìn)入設(shè)備，都是很難消除的。

在本系列的下一篇文章中，我們將更詳細(xì)地介紹一些典型的噪聲源。