數字電路中△I噪聲的危害分析

　　根據CMOS反相器對負載電容充、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(zhuān)門(mén)的CMOS反相器，VDD=15V，靜態(tài)電源電流IDD≤1μA，負載電容=60pF。輸入信號為理想的矩形波，頻率f=100kHz。據式(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(zhù)數字IC的發(fā)展，頻率f(工作速度)不斷提高。同時(shí)，數字IC中門(mén)的數目越來(lái)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(jiàn)，△I噪聲會(huì )引起數字電路的功耗明顯增加，且隨著(zhù)數字電路向高速度和大規模方向的不斷發(fā)展，這一問(wèn)題會(huì )越來(lái)越突出，已逐步成為數字設計的關(guān)鍵問(wèn)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(xiàn)方式是主要的。

　　設小環(huán)天線(xiàn)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(chǎng)強度為[9,10]:

　　式(8)表明，小型環(huán)狀天線(xiàn)的輻射強度與電流大小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)射十分復雜，與很多具體因素有關(guān)，定量計算是很困難的。為了對△I噪聲引起的輻射發(fā)射的強度有一個(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(guò)標準發(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(chǎng)強度(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)標準B類(lèi)產(chǎn)品(住宅應用)所允許的輻射限值。也就是說(shuō)，當I=35mA、f=30MHz時(shí)，若A>3.6cm2，則輻射超標。

　　若再考慮到△I噪聲具有疊加性，以及數字電路的速度越來(lái)越高，則△I噪聲引起的輻射發(fā)射問(wèn)題更為嚴重?，F在△I噪聲引起的輻射發(fā)射已成為很多數字系統(電子產(chǎn)品)難以通過(guò)EMC強制測試認證的主要原因。

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

　　△I噪聲的危害，與很多具體因素有關(guān)，一些危害相互交錯、相互影響，很難對它們進(jìn)行簡(jiǎn)單地分類(lèi)。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(wèn)題之一。