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芯片电磁兼容性设计手

芯片电磁兼容性设计手册

一、电磁兼容性基础

芯片作为电子产品的核心部件，其电磁兼容性（EMC）至关重要。简单来说，电磁兼容性就是芯片在各种电磁环境下，既能正常工作，又不会对其他设备产生过多电磁干扰的能力。

在日常生活中，我们周围充满了各种电磁波。比如手机信号、微波炉的微波、广播电视信号等。如果芯片的电磁兼容性不好，就可能出现问题。想象一下，你的手机在通话时突然受到其他设备的电磁干扰，声音变得嘈杂不清；或者家里的微波炉干扰了附近的电子设备，使其无法正常工作。这就是电磁干扰带来的麻烦。

对于芯片而言，电磁干扰可能来自内部，也可能来自外部。内部干扰可能是芯片电路中不同模块之间的信号相互干扰。例如，高速数字电路模块产生的快速脉冲信号，可能会通过电源线或信号线，干扰到模拟电路模块的正常工作。外部干扰则可能是来自周围环境中的其他电子设备发射的电磁波。像附近的基站发射的射频信号，就可能会耦合到芯片的引线上，对芯片内部信号产生干扰。

为了保证芯片能在复杂的电磁环境中稳定工作，我们需要深入了解电磁兼容性的相关知识，并采取有效的设计措施。

二、电磁干扰的来源

（一）芯片内部电路

1、数字电路的开关噪声

数字电路中，晶体管不断地在导通和截止状态之间切换。当晶体管从截止变为导通，或者从导通变为截止时，会产生快速的电流变化。这种快速变化的电流会在芯片的电源线上产生电压波动，形成开关噪声。比如说，一个微处理器芯片，内部有大量的数字逻辑电路，这些电路频繁的开关动作，会导致电源线上出现高频的电压尖峰，这些尖峰就可能干扰芯片内部其他对电源噪声敏感的电路。

2、信号传输的串扰

在芯片内部，不同信号线之间相互靠近。当一根信号线上有信号传输时，会在周围产生交变的磁场。这个磁场可能会耦合到相邻的信号线上，在相邻信号线上产生感应电压，这就是串扰。例如，在一块集成电路芯片中，有多条数据线和地址线并行排列。如果其中一条数据线上的信号变化频率很高，产生的交变磁场就可能通过互感耦合到相邻的地址线上，导致地址线信号出现错误，影响芯片对数据的正确读写。

（二）外部电磁环境

1、射频干扰

现代社会中，射频信号无处不在。像手机通信、WiFi、蓝牙等无线通信设备，都会发射射频信号。这些射频信号如果频率与芯片工作频率接近，就可能会通过空间辐射或者电源线、信号线的传导，进入芯片内部，对芯片造成干扰。比如，当手机靠近一个带有芯片的电子设备时，手机发射的射频信号可能会耦合到该设备的芯片电源线上，使芯片工作出现异常。

2、电力系统干扰

电力系统中存在各种电磁现象。例如，电力线上的电压波动、谐波等。当芯片连接到电源上时，这些电力系统的干扰可能会通过电源线传导到芯片内部。像工厂中使用的大量大功率电机，在启动和运行过程中会产生电压暂降、谐波等问题，这些问题可能会影响到连接在同一电力系统中的芯片设备，导致芯片工作不稳定，甚至出现故障。

三、电磁兼容性设计方法

（一）电路布局优化

1、合理规划信号路径

在芯片设计中，要精心规划信号的传输路径。尽量减少信号传输的弯曲和交叉，因为信号在弯曲和交叉处容易产生反射和串扰。例如，对于高速数字信号，要设计专门的高速信号走线层，并且使这些走线尽可能短且直。这样可以降低信号传输过程中的衰减和失真，减少电磁辐射。

2、隔离敏感电路

将对电磁干扰敏感的电路模块进行隔离。比如，模拟电路部分和数字电路部分要分开布局，并且用接地的屏蔽层进行隔离。这样可以防止数字电路产生的高频噪声耦合到模拟电路中，影响模拟信号的精度。就像在一个混合信号芯片中，把负责音频处理的模拟电路区域和负责数据处理的数字电路区域用金属屏蔽层隔开，能有效减少两者之间的电磁干扰。

（二）电源完整性设计

1、去耦电容的合理应用

去耦电容是保证芯片电源完整性的关键元件。在芯片的电源引脚附近，要合理地布置去耦电容。一般来说，要根据芯片的工作频率和功耗来选择合适容值和类型的去耦电容。对于高频信号，需要使用小容值的陶瓷电容，因为陶瓷电容的高频特性好，能够快速响应芯片电源引脚处的电压变化，滤除高频噪声。例如，在一个工作频率为几百兆赫兹的芯片中，会在每个电源引脚旁边并联多个01uF的陶瓷去耦电容。

2、电源层和地层的设计

设计良好的电源层和地层结构也很重要。电源层和地层要紧密耦合，中间可以设置多个过孔来增强电气连接。这样可以降低电源和地之间的电感，减少电源线上的电压波动。比如，在多层印制电路板上，将电源层和地层设置为相邻的两层，并且在电源层和地层之间每隔一定距离打一些过孔，形成良好的电源和地平面，为芯片提供稳定的电源供应。

（三）信号完整性设计

1、匹配终端电阻

对于一些高速信号传输线，要使用匹配终端电阻。当信号在传输线上传输时，如果没有匹配终端电阻，信号到达线路末端时