數(shù)字電路中△I噪聲的危害分析

　　根據(jù)CMOS反相器對負(fù)載電容充、放電電流的波形，可求得iP和iN所產(chǎn)生的平均功耗為[1,2]:

　　式中, iP、iN分別表示負(fù)載電容CL充、放電電流。

　　CMOS反相器的動(dòng)態(tài)功耗比靜態(tài)功耗大得多，一般情況下，靜態(tài)功耗可以不予考慮。

　　例如，對一個(gè)專門的CMOS反相器，VDD=15V，靜態(tài)電源電流IDD≤1μA，負(fù)載電容=60pF。輸入信號為理想的矩形波，頻率f=100kHz。據(jù)式(6)可得PC=CL f V2DD=1.35mW，而靜態(tài)功耗為PS=IDDVDD=0.015mW,顯然，PC>>PS。

　　值得注意的是，隨著數(shù)字IC的發(fā)展，頻率f(工作速度)不斷提高。同時(shí)，數(shù)字IC中門的數(shù)目越來越多，芯片上總電容(CL)也在增加。這都將引起功耗進(jìn)一步增大。

　　從上述分析可見，△I噪聲會引起數(shù)字電路的功耗明顯增加，且隨著數(shù)字電路向高速度和大規(guī)模方向的不斷發(fā)展，這一問題會越來越突出，已逐步成為數(shù)字設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一。

　　5 輻射發(fā)射

　　對△I噪聲引起的輻射發(fā)射，小環(huán)天線方式是主要的。

　　設(shè)小環(huán)天線的環(huán)路面積為A、電流大小為I、電流頻率為f，則在距離為r處的自由空間的輻射電場強(qiáng)度為[9,10]:

　　式(8)表明，小型環(huán)狀天線的輻射強(qiáng)度與電流大小I、電流頻率的平方及環(huán)路面積A成正比。

　　由△I噪聲的基本特點(diǎn)可知， △I噪聲引起的輻射發(fā)射十分復(fù)雜，與很多具體因素有關(guān)，定量計(jì)算是很困難的。為了對△I噪聲引起的輻射發(fā)射的強(qiáng)度有一個(gè)定量的概念，作如下分析。

　　利用式(8)解環(huán)路面積A，可得到不超過標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射限值的最大環(huán)路面積。面積A可表示為:

　　式中, ER表示輻射電場強(qiáng)度(μV/m)，r表示環(huán)路與測量點(diǎn)的距離(m)，f為電流頻率(MHz)，I為電流大小(mA)，A為環(huán)路面積(cm2)。

　　對一個(gè)TTL反相器，若取I=35mA，f=30MHz，r=3m，ER=100μV/m，則由式(9)可求得A=3.6cm2。

　　r=3m時(shí)ER=100μV/m是美國FCC(Federal Communications Commission)標(biāo)準(zhǔn)B類產(chǎn)品(住宅應(yīng)用)所允許的輻射限值。也就是說，當(dāng)I=35mA、f=30MHz時(shí)，若A>3.6cm2，則輻射超標(biāo)。

　　若再考慮到△I噪聲具有疊加性，以及數(shù)字電路的速度越來越高，則△I噪聲引起的輻射發(fā)射問題更為嚴(yán)重?，F(xiàn)在△I噪聲引起的輻射發(fā)射已成為很多數(shù)字系統(tǒng)(電子產(chǎn)品)難以通過EMC強(qiáng)制測試認(rèn)證的主要原因。

　　△I噪聲主要引起數(shù)字系統(tǒng)的電源電壓波動(dòng)、電路內(nèi)部噪聲、輸出波形畸變和傳播延遲、功耗增加、輻射騷擾等嚴(yán)重問題。這些危害集中體現(xiàn)在兩個(gè)方面。一方面會導(dǎo)致系統(tǒng)本身性能下降、工作出錯(cuò)甚至完全失效。對系統(tǒng)本身造成的危害一般是多方面的，且往往相互交錯(cuò)。另一方面會導(dǎo)致系統(tǒng)的輻射發(fā)射超標(biāo)。輻射發(fā)射超標(biāo)已成為很多數(shù)字系統(tǒng)(電子產(chǎn)品)不能通過EMC強(qiáng)制測試認(rèn)證的主要原因。

　　△I噪聲的危害，與很多具體因素有關(guān)，一些危害相互交錯(cuò)、相互影響，很難對它們進(jìn)行簡單地分類。所以，目前對其建模與仿真尚在研究階段，是EDA技術(shù)中最困難的問題之一。