由性能驅(qū)動的測量儀器需要低噪聲高帶寬線性前端電路，這些電路應(yīng)組合性能同樣好的 A/D 轉(zhuǎn)換器和時鐘（圖 1）。設(shè)計者努力在早期的處理鏈中把感興趣的測量量化成為數(shù)字信號，來排除不需要的噪聲。請訪問您最喜歡的儀器網(wǎng)站，對直流測量儀器和交流電源及測量儀器作短暫搜尋，會找出動態(tài)范圍是120dB或更大的儀器。動態(tài)范圍工程其實是對所有雜散信號源的搜索。高性能儀器設(shè)計者必須意識到所有潛在的噪聲源，而不僅僅是電源、數(shù)字活動等通常的故障來源。當(dāng)動態(tài)范圍超過 100dB時，高 SNR 工程會導(dǎo)致人們對FPGA 中運行的充電泵、當(dāng)處理器啟動和停止時產(chǎn)生的熱梯度、來自儀器頂部其它儀器的磁耦合等開展研究。設(shè)計的很大部分是把精密模擬電路同內(nèi)部和外部電磁活動隔離開來。

磁場測量是降低DC/DC電磁干擾的關(guān)鍵所在圖示" border="0" height="219" src="http://files.chinaaet.com/images/20100812/b138ed43-a032-422d-ae41-1f489f020984.jpg" width="241" />

　　如今的儀器與測量業(yè)正在經(jīng)歷轉(zhuǎn)型。在多年以性能為基礎(chǔ)的工程之后，市場力量正在導(dǎo)致新的開放式體系結(jié)構(gòu)（圖 2）。由于客戶希望在不影響性能的前提下實現(xiàn)開放式體系結(jié)構(gòu) 的好處，因此新環(huán)境帶來了新的工程挑戰(zhàn)。

　　以半導(dǎo)體測試為例，SoC（單片系統(tǒng)）IC 的測試要求擴大了測試系統(tǒng)必須包含的儀器的廣度。產(chǎn)品上市時間和大型 ATE（自動化測試設(shè)備）系統(tǒng)擁有的成本已共同確定了對開放式測試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的嚴格需求（參考文獻 1）。但是這一潮流超越了 ATE 的界限。人們?nèi)找嫘枰咝阅苣K化 VXI 和 PXI 儀器，以便開展生產(chǎn)測試和特征描述。測試設(shè)備體系結(jié)構(gòu)正在開始成為一項策略，目的是通過更大的靈活性來降低成本，而更大的靈活性會帶來更高的效率和復(fù)用率以及供應(yīng)商之間更低的競爭壁壘。

　　那么，這一潮流使儀器開發(fā)團隊處于什么位置呢？在由性能驅(qū)動的設(shè)計時代，開發(fā)團隊控制了系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的很大部分。在 VXI 等開放的卡片式模塊化體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域則不然，在這類體系結(jié)構(gòu)中，背板接口和物理封裝的種種限制極大地約束著設(shè)計工程師。工程師們需要更注重環(huán)境問題，比如冷卻、電源轉(zhuǎn)換、EMI（電磁干擾）。其中較嚴峻的挑戰(zhàn)之一就是來自儀器系統(tǒng)內(nèi)部的電源轉(zhuǎn)換元件的 EMI。系統(tǒng)內(nèi)部的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器減輕了空間和電源約束組合，但它也產(chǎn)生了噪聲，這可能成為無雜散動態(tài)范圍的限制因素。無論這種噪聲是來自受影響的儀器，還是來自某個噪聲很大的鄰近設(shè)備（它的設(shè)計不需要對動態(tài)范圍要求予以同等重視），都可能發(fā)生這種情況。

　　對于開放式體系結(jié)構(gòu)的儀器，無論下一個槽中的設(shè)備是高度動態(tài)的電源，還是一組 200MHz 數(shù)字引腳驅(qū)動器，儀器都必須符合系統(tǒng)規(guī)范。在這種環(huán)境中，所有儀器都必須經(jīng)過測試，來證明它們符合某種場輻射分布，它對所有儀器提出了相同的輻射和易感性要求。

　　磁耦合

　　近場輻射 EMI 會對敏感的儀器產(chǎn)生噪聲問題。近場包括與源頭的阻抗成比例的電場和磁場（參考文獻2）。低阻抗電路（即相對于自由空間或空氣的 377Ω 阻抗）主要輻射磁場，而高阻抗電路主要輻射電場。耦合包括電容性耦合和互感性耦合，這取決于存在的場以及受影響電路的結(jié)構(gòu)。由于開關(guān)模式電源電路中的電路阻抗往往很低，并且電場較易被屏蔽，因此本文重點介紹磁耦合（圖 3）。

　　根據(jù)法拉第定律，電路中的電動勢（本質(zhì)上是電壓加上任何電阻性損耗）與電路內(nèi)的磁通量變化速率成比例。如果變化速率為零，則不會感應(yīng)出電壓。磁干擾是交流電問題，耦合程度會隨著頻率增加而提高。

　　磁通量 ΦM 可自感產(chǎn)生，此時是電感和電流的乘積，或被互感產(chǎn)生，此時是磁通量密度和環(huán)（線圈）面積的乘積（見附文1《磁性電路》）。以下公式中的關(guān)系很有趣：E=-dΦM/dt=d(LI)/dt=-d(BAcosθ)/dt，其中 I 是電流、B 是磁通量密度、L 是電感量。該公式表明：通過改變?nèi)魏我粋€或多個參數(shù)，可以將誤差電壓感應(yīng)進入電路。電流、磁場或電感（環(huán)面積）的額定百分比變化會對感應(yīng)電壓產(chǎn)生相同影響。因此，縮小高性能電路中的環(huán)面積來消除來自傳導(dǎo)輻射的誤差，這一設(shè)計做法還可減小來自磁耦合的誤差。

　　雖然高性能設(shè)計做法要求把環(huán)面積降至最小限度，并屏蔽濾波電感等必然敏感的元件，但最好在它們的源頭就終止噪聲輻射。為此，儀器設(shè)計者們喜歡在選擇用于儀器中的電源轉(zhuǎn)換器之前，在時域和頻域中比較近場性能。然而，磁場規(guī)范還沒有達到這個成熟度，因此器件特征描述是必要的。

　　測量實例

　　例如，借助一個小型環(huán)狀天線對兩種規(guī)格類似的DC/DC轉(zhuǎn)換器做磁場輻射特征描述。兩種轉(zhuǎn)換器都是1/8磚、寬輸入范圍的器件，具有相同的輸入電壓48V、輸出電壓 5V、負載電阻4Ω。兩種轉(zhuǎn)換器具有相同的轉(zhuǎn)換體系結(jié)構(gòu)——一個固定比率隔離級跟隨在一個穩(wěn)壓級后面，以支持35V ~ 75V輸入范圍。這

些轉(zhuǎn)換器在設(shè)計方案內(nèi)部具有兩個電源磁性區(qū)，但二者運行在相同頻率。兩種轉(zhuǎn)換器都未在規(guī)范表中提供磁輻射數(shù)據(jù)。

　　在這種特征描述設(shè)置中（圖4），一個小型拾波環(huán)可檢測 DC/DC 轉(zhuǎn)換器上方區(qū)域內(nèi)的磁場（見附文2《制作自己的磁場測量探頭》）。放大的環(huán)輸出端連接到示波器和頻譜分析儀。DC/DC 轉(zhuǎn)換器的磁輻射包含來自基本開關(guān)頻率（達到 50MHz 或更高）的很寬的能帶。應(yīng)把被測信號的分配網(wǎng)絡(luò)看作高頻傳輸線路，這很重要。信號借助示波器輸入端的 BNC 座穿過高阻抗示波器輸入端。線路在頻譜分析儀輸入端終止。

　　為了最好地顯示鄰近槽中受影響的電路，應(yīng)把探針定位在平行于轉(zhuǎn)換器的印制電路板基板的一個平面中。掃描板的表面達到最大輸出；最強的場在隔離變壓器（第二級）上方。測量是在變壓器頂面上方大約 0.65 英寸處進行的，測量目的是把拾波環(huán)放在該平面上方 1 英寸的位置，如果您把轉(zhuǎn)換器安裝在某種合適的通孔設(shè)計中，那么這個平面就代表了主板表面（圖 5）。

　　如果查看時域中的測量結(jié)果，您會看到轉(zhuǎn)換器的基頻和振鈴頻率，您就能辨別磁場強度（圖 6）。這些轉(zhuǎn)換器顯示出了轉(zhuǎn)換器磁設(shè)計中的折衷。隔離變壓器 的泄漏電感和磁化電感互耦到測量探頭。正如測量過程中的較高基本場所表明的那樣，X 品牌在其隔離變壓器中的磁化電感明顯低。Y 品牌的泄漏電感更低，因此振鈴頻率更高。開關(guān)瞬間發(fā)生的振鈴源于泄漏電感和開關(guān)的寄生電容。

　　可根據(jù)早期公式的派生關(guān)系（方波響應(yīng)意味著磁通量發(fā)生線性變化）來做兩項觀察。磁分量是在線性區(qū)域中工作，而電流呈線性增加。概括而言，X品牌的磁場是一種 18mtesla p-p三角波（見附文3《把電壓測量值轉(zhuǎn)換成磁場數(shù)據(jù)》）。

　　雖然較低的泄漏電感對降低輻射量更好，但較高頻率的諧振在較高頻率時耦合了較高的峰值電壓（圖 7）。如果對開關(guān)瞬間做更密切地觀察，就能深入了解 DC/DC 轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的諧振。

　　如果您關(guān)心的主要問題是交流電源或交流電捕獲儀器中的頻譜干擾，那么您對頻譜分析儀提供的信息也許更有興趣。大致看看 Y 品牌的磁場頻譜，您就會發(fā)現(xiàn)諧振是在 10MHz 附近，而各分量在20 MHz ~ 25MHz時達到峰值（圖8）。表1概括了來自這些樣品的數(shù)據(jù)。

　　開放式儀器體系結(jié)構(gòu)為 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供了重要作用。如果轉(zhuǎn)換器不是對性能起限制作用的噪聲來源，那么它們就為大量應(yīng)用打開了一個平臺。本文用高帶寬磁探頭檢查了兩種類似的轉(zhuǎn)換器，并發(fā)現(xiàn)了不同結(jié)果。由于系統(tǒng)的安靜程度是由噪聲最大的鄰近設(shè)備決定的，因此任何希望參與開放式儀器開發(fā)工作的人都應(yīng)該仔細地評估，以確保一個與性能相容的環(huán)境。

參考文獻
1. Perez, Sergio M, "The Critical Need for Open ATE Architecture," Proceedings of the International Test Conference, pg 1409, 2004.
2. Ott, Henry W, Noise Reduction Techniques in Electronic Systems, Second Edition, pg 159, John Wiley & Sons, 1988.

　　附文1：磁性電路

　　電氣工程師似乎最喜歡與用理想導(dǎo)體建立信號連接的電路打交道。電感在幫助解決濾波等頻域問題方面還不錯，但存在忽略磁分量的傾向。

　　不要害怕磁性電路。在了解電路工作方面，觀察電感和電容器之間的相似性是有幫助的（圖 a 和 b 以及參考文獻 A）。電容器的各極板之間的電場強度只取決于電壓和極板之間的物理距離 d：E=V/d（單位是伏/米）。

　　導(dǎo)體周圍的磁場強度只取決于電流和導(dǎo)體的物理寬度 w：H=I/w（單位是安培/米）。磁場強度有時被稱作磁化力。

　　電容器是極板面積、極板之間距離、極板之間介質(zhì)材料的函數(shù)。電容 C=(εwl)/d。介質(zhì)常數(shù)的單位是法拉/米。與低介質(zhì)常數(shù)相比，高介質(zhì)常數(shù)在給定極板面積中產(chǎn)生更大的電容量，從而使極板隔離度保持恒定。< br>
　　導(dǎo)體構(gòu)成一個環(huán)，從而形成電感器。電感值是環(huán)面積、導(dǎo)體寬度、導(dǎo)體周圍材料磁導(dǎo)率的函數(shù)：L=(mdl)/w。磁芯的磁導(dǎo)率的單位是亨利/米。與電容器類似的是，與磁導(dǎo)率低的材料相比，高磁導(dǎo)率在給定的環(huán)面積中產(chǎn)生更大的電感量，從而使導(dǎo)體寬度保持恒定。

　　在電容器中，電通量是存儲的電荷的度量標準（單位是庫侖）。在電容器放電時，電荷成為電流源。電容器中的電通量是電容和電壓的函數(shù)：Φ=CV。

　　電感器中的磁通量類似于電容器中存儲的電荷。磁通量的單位是韋伯，并在電感放電時成為電動勢（開路電壓）來源。磁通量是電感和電壓的函數(shù)：ΦM=LI。

　　影響單位電容

的介質(zhì)也會影響電通量密度，即單位面積電荷。想象一下電容器極板上的正負電荷之間的電通線。穿過單位面積的電通線數(shù)量代表了電通量密度：D=Φ/(wl)=εE。電通量密度與電容極板之間材料的介質(zhì)常數(shù)成正比。

　　磁芯的磁導(dǎo)率影響著電感量，因此影響著磁通量密度。以單位面積磁通量來測量磁通量密度：B=ΦM/(dl)=mH。

參考文獻
A. Walker, Charles S, Capacitance, Inductance and Crosstalk Analysis, Artech House, 1990.

　　附文2：制作自己的磁場測量探頭

　　高帶寬放大器向一個很小的磁環(huán)產(chǎn)生的信號提供大約20dB增益（圖A）。您可根據(jù)應(yīng)用要求，在頻譜分析儀或示波器上觀察探頭的輸出。許多交流電源儀器或交流電測量儀器需要描述 SFDR（無雜散動態(tài)范圍）方面的性能，并傾向于頻譜數(shù)據(jù)。但是，直流電儀器也許更關(guān)注總均方根（RMS）噪聲能量，并在時域中檢查場測量值。這些分量測量值則兼顧二者。

　　圖B和圖C展示了放大器和探針的布局。探針提供了直徑為0.4英寸的圓形區(qū)域，該區(qū)域垂直于印制電路板上的電路 。一個額外的設(shè)計考慮事項就是提供平衡的輸入，以便消除耦合到探針的任何電場。

　　該電路之所以使用高帶寬電流反饋運算放大器，是因為對于儀器開發(fā)而言，最令人感興趣的DC/DC轉(zhuǎn)換器的諧振分量是25MHz ~ 60MHz。

　　附文3：把電壓測量值轉(zhuǎn)換成磁場數(shù)據(jù)

　　儀器設(shè)計

者在描述各種磁干擾源的特征時，也許會對標準回路產(chǎn)生的相對電壓測量值感到滿意——假定回路代表了儀器會經(jīng)歷的回路面積和方向。但是，由于回路和放大過程有可能不同，因此把這些電壓測量值轉(zhuǎn)換成場數(shù)據(jù)是有幫助的。

　　輻射電路中的電流產(chǎn)生了穿過測試回路的磁通量。測試回路保持固定，其中包括它對場的角度q，但磁通量密度 B 在變化，感應(yīng)出電壓：|VMEASURED|= KAALcosqdB/dt，其中 KA 是放大器增益、AL是回路面積（單位是平方米）、dB/dt 是磁通量密度變化速率（單位是韋伯/平方米，即特斯拉）。插入各值，注意到頻譜分析儀內(nèi)的終端把增益降低了一半，于是：|dB /dt|cosq=2467×VMEASURED（特斯拉）。

　　對圖 A 中的開關(guān)元件考慮為 10 mV p-p 讀數(shù)?？珊雎蚤_關(guān)瞬間的峰值偏差，這是因為它們不會可觀地增加均方根(rms) 能量。本例有一個3ms、50% 占空比開關(guān)波形。5mV 峰值測量等同于12.3 特斯拉/秒磁通量密度變化速率。假設(shè)該速率保持1.5ms，則拾取回路方向的磁通量密度（B 場）是 18.5mtesla p-p。

　　以安培/米為單位測量磁化力（即 H 場），就能通過除以自由空間的導(dǎo)磁率（4p×10^-7），從 B 場確定它。37mtesla-p-p 磁通量密度等同于空氣芯電路中的 29.4A/m。

　　頻譜分析儀可提供噪聲耦合的另一種情景。您可以檢查振鈴和諧振問題。參考文獻 A 提供了推導(dǎo)，它利用了正弦 B 場的優(yōu)點：VN(w)=wKAALBR(w)cosq，其中 VN和 BR 是感興趣的頻率處的均方根量、KA 是放大器增益、AL 是回路面積、q是場矢量與垂直于回路區(qū)域的區(qū)域之間的角度。插入預(yù)定值，于是：BR cosq = 393[VN(f)/f] 2。對于一般應(yīng)用，可把該公式轉(zhuǎn)換成圖表（圖B）。

參考文獻
A. Ott, Henry W, Noise Reduction Techniques in Electronic Systems, Second Edition, pg 38, John Wiley & Sons, 1988.