如何降低微控制器系統中的噪聲影響（1）

在我理想的數字世界中，也是我經常夢想的，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，芯片的工作環境是完全良性的。

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。現實世界是嘈雜的和讓人不愉快的，我們設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，從而導致系統故障；開關瞬變會產生噪聲并降低信號裕量；阻抗不連續性會使信號失真，從而降低信號裕量等等。

圖1

更糟糕的是，因為應對靜電放電，雷電浪涌導致的系統中斷或破壞，我們還把來自內部和外部源的噪聲進行了輻射或傳導，同時熱應力、機械應力和組件老化等等都可能導致系統故障。在這個簡短的系列博客中，我想看看其中的一些問題，以及我們可以應用于設計的一些措施，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被定義為電子設備在其預期的電磁環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，是指設備本身在執行正常功能的過程中所產生不利于其它系統的電磁噪聲，而EMS被稱為噪聲敏感性，是指設備在執行應有功能的過程中不受周圍電磁環境影響的能力。

在下表中，您可以看到不同類型的EMC及其引起的典型現象。第三列列出了一些可能受到EMI和EMS影響的典型產品，導致操作干擾或系統損壞。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系列這樣的產品，采用的是當時相當先進的工藝技術實現，使用1.0μm甚至0.8μm CMOS技術。但今天的產品采用了先進得多的工藝技術，像我們RA微控制器系列中的最新產品采用的是40納米技術，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，晶體管開關頻率變快，噪聲成為導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，該器件通常以當時的8 MHz快速時鐘工作，晶體管開關速度較慢，信號寬度遠比噪聲寬度要寬，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200 MHz或更高，這樣在同樣的噪聲條件下，區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，對于最新的設備，我們試圖處理的信號可能比噪聲信號快。因此，當我們轉向更小的工藝制程時，噪聲將成為一個更大的問題。瑞薩在芯片設計上采取了許多相對應的措施，設計了有助于在這種環境下工作的功能，比如精心設計的電源電路，優化的I/O緩沖器以及專業的保護電路等。但盡可能地在應用設計中減少這些噪聲仍然非常重要，因為如果噪聲最后進入設備，都是很難消除的。

在本系列的下一篇文章中，我們將更詳細地介紹一些典型的噪聲源。