逻辑器件的EMC(一)

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逻辑器件的EMC(一)

     当一个PCB上仅使用标准的CMOS逻辑器件时,除非设计工程师采用了非常不恰当的PCB布局,很少会看到无法满足A类以及甚至B类的辐射发射要求的问题.但对于使用标准的74系列的TTL IC时,情况就完全不同了.对这类逻辑器件的使用,通常必须采取一些必要的措施才能满足A类的要求.随着高速CMOS和更高速的双极型器件的出现,在对PCB布局,电路电平的降低,以及可能的屏蔽等等都要给以特别的关注,以使发射降低到可以接受的电平.
     在1--10GHz频率范围内,新型高速逻辑器件将会造成值得重视的辐射,此频段的辐射限值在FCC中已有所规定.被测试的最高速度的器件是ECLinPS,它的上升和下降时间在0.275--0.6ns之间,在基频较低时(10MHz),该器件在高频上的辐射电平并不高于74F器件的电平,这是因为当时钟的基频较低时,高频辐射的关键是电压和电流的变换速率,即转换率,而不再仅是上升和下降时间.而ECLinPS器件的转换率与74F04的非常接近.
     "ECLinPS Line"系列用于触发器(Flip-Flop)时的最高频率是2.2GHz,用于缓冲器时的最高频率则为1.4GHz;它们的上升和下降时间都为0.1ns .在1.4GHz的基频和在0.1ns的上升和下降时间时,它们的发射谱线包络中的第一个转折点发生在1/(3.14d)=88MHz上,这里d是脉冲宽度(3.6ns).在第一个转折点以后,发射谱线的下降是每10倍频为20dB的函数.在3.18GHz以上的第二个转折点,由等式1/(3.14tr)给出.其幅值的下降是每10倍频为40dB的函数.
     假如对74F04和74AS04器件在接近它们的最高频率124MHz,比如120MHz上进行测试,那么它们在该频率上的发射电平与一个10MHz时钟频率比较,会高于从一个10MHz时钟频率上在相同频率上的发射电平.假定上升和下降时间不变的话,在360MHz(120MHz时钟频率的三次谐波)上,一个120MHz时钟的发射将比频率为10MHz时钟在相同的120NHz上的高25dB,在1080MHz(九次谐波)上则要高出21dB.
     假如ECLinPS器件在时钟频率为450MHz上运行,而不是10MHz,那么在2.25GHz上的发射电平将会高出大约33dB.发射的增加几乎与时钟频率的增加相对应,即10--120MHz=21dB,10--450MHz=33dB.在使用微带传输线PCB配置以及时钟频率为10MHz时,没有哪一种逻辑器件类型会在1200MHz频率以上导致高于测量系统噪声本底电平的辐射,即便是天线距带有电缆的PCB仅0.55m远,由于CMOS的上限频率低于在测量装置中使用的10MHz时钟频率,所以标准CMOS器件无法包括在测量中.
    对使用不同逻辑系列器件微带的PCB配置的辐射进行测量有两个目的.由于用于对PCB布局进行所有比较测量的74F04器件与其他逻辑器件类型要进行比较,据此就可对其他逻辑器件类型的PCB布局的辐射发射按比例进行预估.另外,假如可以选择的话,应选择具有最低发射电平,并具有所要求上限频率的器件.例如,尽管标准TTL已不再是普遍使用的逻辑器件系列,在不久的将来很有可能被完全淘汰.但从目前来看,如果25MHz仍是典型上限频率,并且13ns的上升时间,6ns的下降时间,以及传输延迟时间为30ns这些参数可接受的话,就降低高频辐射来讲,TTL器件仍然是仅次于CMOS器件的最佳选择.
     所测试的器件,除了MC100E111 ECLinPS是1:9差分时钟驱动器外,其余都是六进制反相器.74F04,74AS04,7404,74LS04,74ALS04,74HCT04和74S04器件都是这类六进制反相器.74XXX04系列器件的负载是由一个并联的330欧姆电阻和47pF电容所构成.它和用于PCB辐射测量中使用的负载相同.这个负载经常被IC制造商考虑用作典型的测试负载,该47pF电容相当于8--10扇出.被测试的ECLinPS器件的负载,由一个4pF电容与一个47欧姆电阻并联构成.依据Motorola公司技术指标所列"该器件的典型输入负载电容测量值为1.5pF,并且当器件电容小于总值的5%时,事实上,它与输入扇出无关".ECLinPS器件被测试时的负载电阻是56欧姆,它与测试中使用的微带PCB的特性阻抗相匹配.来自带有47欧姆电阻和4pF电容并联构成负载的ECLinPS的辐射要比纯电阻负载时高出20dB.
     74AS04器件的测试频率范围为200--1000MHz,但使用的负载不同.由带有330欧姆电阻负载的74AS04的辐射与由一个与47pF电容并联的330欧姆电阻构成的标准负载相比,依据频率的不同,它会出现时高时低.在开路状态下,747AS04的辐射降低达10dB,但是带有68欧姆负载时,可以降低达27dB.虽然68欧姆负载是一个非有效负载,但它证明了输出波形幅值的重要性.换句话说,在测定低频辐射和转换率时,以及在高频辐射时,68欧姆电阻负载相当可观地降低了这些辐射.