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。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202308/449543.htm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?,F(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。
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