電磁干擾(EMI)是指電路受到了來(lái)自外部的非預期性電磁輻射干擾。這種干擾可以中斷、阻礙或降低電路的性能表現。在現今的便攜式消費電子設備設計中，空間已躍升為第一要素。設計師經(jīng)常需要移除外殼或屏罩，并且通過(guò)更加嚴謹的電路隔離來(lái)抑制EMI和噪聲。毫無(wú)疑問(wèn)，較小的空間和更多的功能增加了電路板的密度，此外還需要考慮圓片級封裝和微型電路設計規范，因此EMI問(wèn)題更加值得關(guān)注。

 

EMI包含有兩個(gè)方面：放射和電磁耐受性。放射是指哪些設備會(huì )產(chǎn)生輻射噪聲。電磁耐受性是指哪些設備會(huì )受到其它設備的電磁波影響。在稍候的篇幅中，我們將會(huì )多討論一些有關(guān)電磁耐受性的問(wèn)題。因為如果能有效地控制電磁放射，那么處理后續的電磁耐受性就變得相對容易了。放射一般來(lái)說(shuō)大體分為輻射性放射和傳導性放射兩類(lèi)。輻射性放射來(lái)自電路板、走線(xiàn)或電線(xiàn)，以電磁波的形態(tài)經(jīng)大氣傳播影響附近的接收器。需要注意的是“接收器”可泛指任何因外來(lái)電磁能量干擾而影響其運行的電路。例如，PCB走線(xiàn)或IC的引線(xiàn)。傳導性放射是指能量經(jīng)電線(xiàn)或電纜逃脫或傳導出來(lái)。傳導性放射可以直接影響電路性能，或者轉化為輻射性放射。

 

圖1：波長(cháng)和頻率之間的物理關(guān)系。

 

要了解兩種放射，我們必須對天線(xiàn)有一定的了解。圖1所示波長(cháng)和頻率之間的物理關(guān)系。一根天線(xiàn)的有效長(cháng)度必須達到波長(cháng)的四份之一。如果在大氣中，其介電特性為1。那么在FR4或玻璃環(huán)氧電路板中，其介電特性便會(huì )降低至4.8。因此信號一旦到達FR4的電介質(zhì)梯度，其傳播走線(xiàn)就會(huì )變慢。于是會(huì )引起“波長(cháng)縮減”效應。例如，一個(gè)200MHz的信號在大氣中的四分之一波長(cháng)為16.7cm，如果在內層的電路板走線(xiàn)，那么波長(cháng)就變?yōu)?6.7/4.8(1/2)=7.6cm。

 

即使PCB走線(xiàn)的長(cháng)度短于波長(cháng)的四分之一，仍可以是有效的天線(xiàn)，能夠同時(shí)增強放射性和電磁耐受性。除了內層外，表面的走線(xiàn)也可表現出波長(cháng)縮減效應。因為電介質(zhì)的一面已足可改變傳遞的整個(gè)介電特性。

 

PCB走線(xiàn)等非意愿天線(xiàn)(unintended antenna)，可以說(shuō)是數字系統中輻射噪聲背后的黑手。從輻射性放射的角度考慮，我們可發(fā)現D類(lèi)音頻放大器本質(zhì)上可被看作成一個(gè)數字系統。電磁學(xué)中一個(gè)關(guān)鍵原理是電磁互易(reciprocity)，因為電流的流動(dòng)可產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，并且電通量的變化可引發(fā)電流的流動(dòng)。按照這個(gè)原理，一條天線(xiàn)既可以用來(lái)接收電磁信號也可以用來(lái)發(fā)送電磁信號。假如非意愿天線(xiàn)受到噪聲電流的刺激，而其長(cháng)度接近波長(cháng)的四分一接近時(shí)，此時(shí)便會(huì )產(chǎn)生輻射性放射。

 

圖2：常用的天線(xiàn)設計。

 

如圖2所示，常用的天線(xiàn)設計有兩種：偶極天線(xiàn)和鞭形天線(xiàn)。一個(gè)有趣的事實(shí)是鞭形天線(xiàn)本身就是半條偶極天線(xiàn)，水平接地經(jīng)感應后，鞭形天線(xiàn)可成為另外的半條偶極天線(xiàn)。眾所周知，天線(xiàn)的作用是通過(guò)電氣能量的輻射來(lái)發(fā)送和接收信號。不過(guò)，如圖3所示，PCB中的非意愿天線(xiàn)可包括：長(cháng)走線(xiàn)；通路；元件的引線(xiàn)和接腳；無(wú)載電路板的連接器和插座。

 

圖3：PCB中的非意愿天線(xiàn)。

 

PCB上一些沒(méi)有端接的表面走線(xiàn)或埋在下面的走線(xiàn)可以變成非意愿鞭形天線(xiàn)。在不同電位勢下的走線(xiàn)片段可以因不良布局而變成振子天線(xiàn)。同時(shí)，PCB的導電層可作為雙極天線(xiàn)的另一條腿，而板子本身會(huì )被耦合到電場(chǎng)中。

 

D類(lèi)音頻放大器

 

由于自身的效率很高，D類(lèi)音頻放大器很快就在消費電子設備中獲得了廣泛的應用。D類(lèi)音頻放大器通過(guò)輸入的模擬信號來(lái)調制一個(gè)高頻方波，該方波的頻率可以是固定的也可以是可變的，甚至可以是隨機脈沖。低通濾波器用來(lái)過(guò)濾信號中的高頻內容以及恢復原始音頻信號。在沒(méi)有濾波器的拓樸中，揚聲器本身的電感會(huì )被合并成濾波器的一部份。脈沖寬度調制(PWM)是一種普遍的D類(lèi)拓樸技術(shù)，它采用固定頻率的波形，并通過(guò)改變工作周期在低通濾波器后面產(chǎn)生出一個(gè)移動(dòng)平均信號(圖4)。

 

圖4：PWM是一種普遍的D類(lèi)拓樸技術(shù)。