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改善产品电磁兼容性的方法-接地和屏蔽

 电磁兼容性是指电子设备在各种电磁环境中仍能够协调、有效地进行工作的能力。电磁兼容性设计的目的是使电子设备既能抑制各种外来的干扰,使电子设备在特定的电磁环境中能够正常工作,同时又能减少电子设备本身对其它电子设备的电磁干扰。

    提高电磁兼容性包括两个方面的内容,一是提高看干扰能力,可以通过屏蔽、良好的接地等方法实现;另外一方面,减少对外的电磁辐射,主要是减少高频成分的电磁辐射。

    首先讨论接地。

设备接地
    设备的外壳通过接地棒或者接地电阻与大地相连,实现设备接地。可以泄放机箱上所积累的电荷,避免设备内部放电;接高设备工作的稳定性,避免设备对大地的电位在外界电磁环境作用下发生的变化。

设备信号接地

    设备的信号接地系统可以是一块金属板,目的是为设备中的任何信号提供一个公共的参考电位。有三种基本的信号接地方式:浮地、单点接地、多点接地。

    浮地 :使电路或设备与公共地线可能引起环流的公共导线隔离起来,浮地还使不同电位的电路之间配合变得容易。缺点是容易出现静电积累引起强烈的静电放电。折衷方案:接入泄放电阻。

    单点接地 :线路中只有一个物理点被定义为接地参考点,凡需要接地均接于此。    缺点:不适宜用于高频场合。

    多点接地  :凡需要接地的点都直接连到距它最近的接地平面上,以便使接地线长度为最短。    缺点:维护较麻烦。

    混合接地 :按需要选用单点及多点接地。

    信号接地线的处理:搭接,搭接是在两个金属点之间建立低阻抗的通路。分直接搭接、间接搭接方式。无论哪一种搭接方式,最重要的是强调搭接良好。

    接下来是屏蔽。

    屏蔽包括电场屏蔽、磁场屏蔽,实现的机理为屏蔽材料表面进行反射、或吸收。

    电场屏蔽:电场屏蔽是为了减少相临对象间的耦合,实现的方法包括增大对象之间的距离、在两个对象之间插入金属屏蔽板。使用屏蔽板时,屏蔽板以良导体为好,厚度无要求,必须良好接地。

     磁场屏蔽:使用高导磁材料的低磁阻起磁分路作用,使屏蔽体内的磁场大大降低。屏蔽材料为高到磁材料,为提高效果可增加屏蔽材料的厚度,被屏蔽的对象不要太靠近屏蔽层。


   

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标签: 电磁兼容 接地 屏蔽
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地线设计要点

    在电子设备中,接地是控制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用,可解决大部分干扰问题。电子设备中地线结构大致有:系统地、机壳地(屏蔽地)、数字地(逻辑地)和模拟地等。在地线设计中应注意以下几点:

  1. 正确选择单点接地与多点接地
    低频电路中,信号的工作频率小于1MHz,它的布线和器件间的电感影响较小,而接地电路形成的环流对干扰影响较大,因而应采用一点接地。当信号工作频率大于10MHz时,地线阻抗变得很大,此时应尽量降低地线阻抗,应采用就近多点接地。当工作频率在1~10MHz时,如果采用一点接地,其地线长度不应超过波长的1/20,否则应采用多点接地法。
  2. 将数字电路与模拟电路分开
    电路板上既有高速逻辑电路,又有线性电路,应使它们尽量分开,而两者的地线不要相混,分别与电源端地线相连。要尽量加大线性电路的接地面积。
  3. 尽量加粗接地线
    若接地线很细,接地电位则随电流的变化而变化,致使电子设备的定时信号电平不稳,抗噪声性能变坏。因此应将接地线尽量加粗
  4. 将接地线构成闭环路
    设计只由数字电路组成的印制电路板的地线系统时,将接地线做成闭环路可以明显的提高抗噪声能力。其原因在于:印制电路板上有很多集成电路元件,尤其遇有耗电多的元件时,因受接地线粗细的限制,会在地结上产生较大的电位差,引起抗噪声能力下降,若将接地结构成环路,则会缩小电位差值,提高电子设备的抗噪声能力。
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标签: 地线 模拟地 数字地
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如何进行阻抗匹配

    驱动端输出阻抗是恒低,接收端阻抗是恒高的(稳态条件)状态下的阻抗匹配方法:

  1. 方法一:全匹配
       
    在驱动端串电阻和在接收端并电阻(阻值接近传输线特性阻抗)的方式进行匹配,则传输线实现了全匹配。这时传输线在驱动端面对的是输出阻抗为传输线特性阻抗的等效源阻抗,末端面对的是与传输线特性阻抗相同的负载(包括器件输入阻抗),从传输线任一点向任一方向看去输入阻抗都是一样的,所以线上不存在反射波,也没有多次反射发生。
        这个传输线匹配不同于模拟的以源的最大功率传输为目标的匹配,它是以牺牲功率来换取无反射的。这是数字电路匹配与模拟电路匹配不同处之一。从传输幅度上来看,到达接收端的幅度下降了一半。
        这种匹配是最佳的吗?我不知道,可能是,也可能不是。
  2. 方法二:一端匹配
        将上述全匹配条件中的接收端并联电阻去掉,传输线负载呈开路状态,但是向源端看去的输入阻抗处处是传输线阻抗,向接收端(负载端)看去的输入阻抗是变的,传输线各点两端是不匹配的。传输线单向匹配。接收端信号的幅度加倍,向源端产生一次反射,反射信号被串接电阻吸收。该电阻将源与传输线隔离。这种单向匹配的性质与频率,线长无关,即任何频率分量都被单向匹配,虽然驻波分布会有变化。如果源输出端与串联电阻的距离足够近(没传输线效应),由源出发的波(各个频率分量)都会完整到达接收端,在接收端幅度加倍。从原理上讲,这种单向匹配是没有信号完整性问题的。
        上述原理成立的条件是源端输出阻抗是稳定的,否则会有多次反射发生,使某些频率分量的幅度发生改变,造成波形失真,出现信号完整性问题。
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标签: 阻抗匹配
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导线特征阻抗的分析

    高速设计领域一个越来越重要也是越来越为设计工程师所关注议题就是受控阻抗的电路板设计以及电路板上互联线的特征阻抗。然而,对于非电子的设计工程师来说,这也是一个最容易混淆也最不直观的问题。甚至很多的电子设计工程师对此也同样感到困惑。这篇资料将对特征阻抗作一个简要而直观的介绍,希望帮助大家了解传输线最基本的品质。


  1. 什么是传输线?
    两个具有一定长度的导体就构成传输线。其中的一个导体成为信号传播的通道,而另外的一个导体则构成信号的返回通路(在这里我们提到信号的返回通路,实际上就是大家通常理解的地,但是为了叙述的方便,暂且忘掉地这一概念。)。在一个多层的电路板设计中,每一个PCB互联线都构成传输线中的一个导体,该传输线都将临近的参考平面作为传输线的的第二个导体或者叫做信号的返回通路。
  2. 什么样的PCB互联线是一个好的传输线呢?
    通常如果在同一个PCB互联线上特征阻抗处处保持一致,这样的传输线就成为高质量的传输线。
  3. 什么样的电路板叫做受控阻抗的电路板?
    受控阻抗的电路板是指PCB板上所有传输线的特征阻抗符合统一的目标规范,通常是指所有传输线的特征阻抗的值在25Ω到70Ω之间。 
  4. 分析特征阻抗的模型
    考虑特征阻抗最行之有效的办法是考察信号沿着传输线传播时信号本身看到了什么。为简化问题的讨论起见,假定传输线为微波传输带(microstrip)类型,并且信号沿传输线传播时传输线各处的横断面保持一致。

    给该传输线加入幅度为1V的阶跃信号。阶跃信号是一个1V的电池,由前端接入,分别连接在信号线和返回通路之间。在接通电池的瞬间,信号电压波形将以光速在电介质中行进,速度通常约为6英寸/ns(信号为什么行进如此快速,而不是接近电子传播的速度大约1cm/s,这是另外一个话题,这里不做进一步介绍)。当然在这里信号仍然具有常规的定义,信号定义为信号线与返回通路上的电压差,总是通过测量传输线上任何一点与之临近的信号返回通路之间的电压差值来获得。

    信号沿传输线方向以6英寸/ns的速度向前传输。在传输的过程中信号会遇到什么样的情况呢?在最开始的10ps时间间隔内,信号沿传输线方向行进了0.06英寸的距离。假定锁定时间在这一时刻,来考虑传输线发生的情况。在行进的这一段距离上,信号的传输为这一段传输线和相应临近的信号返回通道之间建立起了稳定的幅度为1V的常量信号。这意味着在行进的这一段传输线和对应的返回路径上已经积聚起了额外的正电荷和额外的负电荷来建立这一稳定的电压。也正是这些电荷的差异在这两个导体之间建立并维持了一个稳定的1 V 电压信号,而导体之间稳定的电压信号就为两个导体之间建立了一个电容。

    传输线上位于这一时刻信号波前后面的传输线段并不清楚会有信号要传播过来,因而仍然维持信号线同返回通路之间的电压为零。在接下来的10ps时间间隔内,信号又会沿传输线行进一定的距离,信号继续传播的结果是又会在另一段长度为0.06英寸的传输线段同对应的信号返回通路之间的建立起 1V的信号电压。而为了做到这一点,必须为信号线注入一定量的正电荷,同时为信号的返回通路注入同等数量的负电荷。信号沿传输线每传播0.06英寸的长度,都会有更多的正电荷注入该信号线,也会有更多的负电荷注入信号返回通路。每隔10ps时间间隔,就会有另外一段传输线被充电到1 V,同时信号也会沿传输线方向继续向前传播。

    这些电荷从何而来?答案是来自信号源,也就是我们用来提供阶跃信号、连接在传输线前端的电池。随着信号在传输线上的传播,信号不断地为传播经过的传输线段充电,确保信号传输过程中所到之处信号线与返回路径之间建立并维持起1 V的电压。每隔10ps时间间隔,信号会在传输线上传播一定的距离,并且从电源系统中汲取一定数量的电荷δQ。电池在一段时间间隔δt内的向外提供一定数量的电荷δQ,就形成了恒定的信号电流。正的电流会从电池流入信号线,而与此同时同样大小的负电流会流经信号的返回路径。

    流经信号返回通路的负电流同流入信号线的正电流大小完全一致。而且,就在信号波前的位置,AC电流流经由信号线和信号返回通路构成的电容,完成了信号环路。

  5. 传输线的特征阻抗

    从电池的角度来看,一旦设计工程师将电池的引线连入传输线的前端,就总有一个常量值的电流从电池中流出,并且保持电压信号的稳定不变。也许有人会问,是什么样的电子元器件具有这样的行为?加入恒定不变的电压信号时会维持恒定不变的电流值,当然是电阻。

    而对电池来说,信号沿传输线向前传播时,每隔10ps时间间隔,会新增加0.06英寸的传输线段被充电至1V,从电池中获得的新增加的电荷确保从电池中维持一个稳定的电流,从电池吸收恒定的电流,传输线就等同于一个电阻,并且阻值恒定。我们称之为传输线的浪涌阻抗

    同样,当信号沿传输线向前传播时,每传播一定的距离,信号会不断地探查信号线的电环境,并且试图确定信号进一步向前传播时的阻抗。一旦信号已经加入到传输线上并且沿传输线向前传播,信号本身就一直在考查到底需要多大的电流来充电10ps 时间间隔内所传播的传输线长度,并保持将这一部分的传输线段充电到1V。这正是我们要分析的瞬间阻抗值。

    从电池本身的角度来看,如果信号以恒定的速度沿传输线方向传播,而且假定传输线具有一致的横断面,那么信号每传播一个固定的长度(比如10ps时间间隔内信号传播的距离),那么需要从电池中获取同等数量的电荷来确保将这一段传输线充电到同样的信号电压。信号每传播一个固定的距离,都会从电池获取同样的电流,并且保持信号电压一致,在信号传播过程中,传输线上各处的瞬间阻抗都是一致的。

    信号沿传输线传播过程当中,如果传输线上各处具有一致的信号传播速度,并且单位长度上的电容也一样,那么信号在传播过程中总是看到完全一致的瞬间阻抗。由于在整个传输线上阻抗维持恒定不变,我们给出一个特定的名称,来表示特定的传输线的这种特征或者是特性,称之为该传输线的特征阻抗。特征阻抗是指信号沿传输线传播时,信号看到的瞬间阻抗的值。如果信号沿传输线在传播的过程当中,任何时候信号看到的特征阻抗都保持一致的话,那么这样的传输线就称为受控阻抗的传输线。
  6. 传输线特征阻抗是设计中最重要的因素

    传输线的瞬间阻抗或者是特征阻抗是影响信号品质的最重要的因素。如果信号传播过程中,相邻的信号传播间隔之间阻抗保持一致,那么信号就可以十分平稳地向前传播,因而情况变得十分简单。如果相邻的信号传播间隔之间存在差异,或者说阻抗发生了改变,信号中能量的一部分就会往回反射,信号传输的连续性也会被破坏。

    为了确保最佳的信号质量,信号互联设计的目标就是要确保信号在传输过程中看到的阻抗尽可能地保持恒定不变。这里主要是指要保持传输线的特征阻抗为常量。所以设计生产制造受控阻抗的PCB板就变得越来越重要。而至于任何其它的设计诀窍诸如最小化金手指长度、终端匹配、菊花链连接或者是分支连接等等都是为了确保信号能够看到一致的瞬间阻抗。
  7. 特征阻抗的计算

    从上述简单的模型中我们可以推算出特征阻抗的值,即信号在传输过程中看到的瞬间阻抗的值。信号在每一个传播间隔里看到的阻抗Z有同基本的关于阻抗的定义一致

    Z=V/I

    这里的电压V是指加入到传输线上的信号电压,而电流I是指在每一个时间间隔δt内从电池中得到的电荷总量δQ,所以

    I=δQ/δt

    流入传输线中的电荷(这些电荷最终来自信号源),用于将信号在传播过程中新增的信号线与返回通路之间构成的电容δC充电至电压V,所以

    δQ=VδC

    我们可以将信号在传播过程中每行进一定的距离而导致的电容同传输线单位长度上的电容值CL以及信号在传输线上传播的速度U联系起来。同时信号传播的距离是速度U乘以时间间隔δt。所以

    δC= CL U δt

    将以上所有的等式结合起来,我们可以推导出来瞬间阻抗为:

    Z=V/I=V/(δQ/δt)=V/(VδC/δt)=V/(V CL U δt /δt)=1/(CL U)

    可以看到瞬间阻抗同单位传输线长度上的电容值以及信号传输的速度有关。同样也可以人为这就是传输线特征阻抗的定义。为了将特征阻抗从实际阻抗Z中区分开来,特意为特征阻抗加入一个下标0,从上面的推导中已经得到了信号传输线的特征阻抗:

    Z0=1/(CL U)

    如果传输线上单位长度的电容值以及信号在传输线上传播的速度保持为常量,那么该传输线就在其长度范围内具有恒定不变的特征阻抗,这样的传输线就称之为受控阻抗的传输线。

    从以上简要的说明中看出,关于电容的一些直观的认识可以同新发现的特征阻抗的直观的认识联系起来。换句话说,如果把PCB中的信号连线拓宽,那么传输线单位长度上的电容值就会增大,而传输线的特征阻抗就可以降低。
  8. 耐人寻味的话题

    经常可以听到有关传输线特征阻抗的一些混淆的说法。通过上面的分析知道,将信号源连接到传输线上之后,应该可以看到某一个值的传输线特征阻抗,举例来说50Ω,然而如果将一个欧姆表同一段3英尺长的RG58线缆连接时,测量到的阻抗却是无穷大。

    问题的答案在于从任何传输线前端看过去的阻抗值是随时间变化的。如果测量线缆阻抗的时间短到可以和信号在线缆中来回往返一次的时间可以比拟时,你就可以测量到该线缆的浪涌阻抗或者又称为线缆的特征阻抗。然而如果等待足够的时间的话,就会有一部分能量反射回来并且为测量仪器检测到,这时就可以检测到阻抗的变化,通常情况下,在这一过程中,阻抗会来回变化,直到阻抗值达到一个稳定的状态:如果线缆的末端是开路,最终的阻抗值为无穷大,如果线缆的末端是短路,最终的阻抗值为零。

    对于3英尺长的RG58线缆来说,必须在小于3ns的时间间隔内完成阻抗的测量过程。这就是时域反射计(TDR)要完成的工作。TDR可以测量传输线的动态阻抗。如果需要花1s的时间间隔来测量3英尺长的RG58线缆的阻抗,那么在这一段时间间隔内信号已经来回反射了几百万次,那么你可能从阻抗的巨大的变动中得到完全不同的阻抗的值,最终得到的结果是无穷大,因为线缆的终端是开路。
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标签: 特征阻抗 高速电路 浪涌阻抗
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信号完整性相关的几个术语
  1. 信号完整性(Signal Integrity):就是指电路系统中信号的质量,如果在要求的时间内,信 号能不失真地从源端传送到接收端,我们就称该信号是完整的。
  2. 上升/下降时间(Rise/Fall Time):信号从低电平跳变为高电平所需要的时间,通常是量度上升/下降沿在10%-90%电压幅值之间的持续时间,记为Tr。
  3. 特征阻抗(Characteristic Impedance):交流信号在传输线上传播中的每一步遇到不变的瞬间阻抗就被称为特征阻抗,也称为浪涌阻抗,记为Z0。可以通过传输线上输入电压对输入电流的比率值(V/I)来表示。
  4. 反射(Reflection):指由于阻抗不匹配而造成的信号能量的不完全吸收,发射的程度可以有反射系数ρ表示。
  5. 过冲/下冲(Over shoot/under shoot):过冲就是指接收信号的第一个峰值或谷值超过设定电压——对于上升沿是指第一个峰值超过最高电压;对于下降沿是指第一个谷值超过最低电压,而下冲就是指第二个谷值或峰值。
  6. 振荡:在一个时钟周期中,反复的出现过冲和下冲,我们就称之为振荡。振荡根据表现形式可分为振铃(Ringing)和环绕振荡,振铃为欠阻尼振荡,而环绕振荡为过阻尼振荡。
  7. 匹配(Termination):指为了消除反射而通过添加电阻或电容器件来达到阻抗一致的效果。因为通常采用在源端或终端,所以也称为端接。
  8. 串扰:串扰是指当信号在传输线上传播时,因电磁耦合对相邻的传输线产生的不期望的电压噪声干扰,这种干扰是由于传输线之间的互感和互容引起的。
  9. 保持时间(Hold Time):为了成功的锁存一个信号到接收端,器件必须要求数据信号在被时钟沿触发后继续保持一段时间,以确保数据被正确的操作。这个最小的时间就是我们说的保持时间。
  10. 飞行时间(Flight Time):指信号从驱动端传输到接收端,并达到一定的电平之间的延时,和传输延迟和上升时间有关。
  11. Tco:是指器件的输入时钟边缘触发有效到输出信号有效的时间差,这是信号在器件内部的所有延迟总和,一般包括逻辑延迟和缓冲延迟。
  12. 地弹(Ground Bounce):指由于封装电感而引起地平面的波动,造成芯片地和系统地不一致的现象。同样,如果是由于封装电感引起的芯片和系统电源差异,就称为电源反弹(Power Bounce)。 
  13. 传输线(Transmission Line):由两个具有一定长度的导体组成回路的连接线,我们称之为传输线,有时也被称为延迟线。
  14. 集总电路(Lumped circuit):在一般的电路分析中,电路的所有参数,如阻抗、容抗、感抗都集中于空间的各个点上,各个元件上,各点之间的信号是瞬间传递的,这种理想化的电路模型称为集总电路。
  15. 分布式系统(Distributed System):实际的电路情况是各种参数分布于电路所在空间的各处,当这种分散性造成的信号延迟时间与信号本身的变化时间相比已不能忽略的时侯,整个信号通道是带有电阻、电容、电感的复杂网络,这就是一个典型的分布参数系统。
  16. 截止频率(Knee Frequency):这是表征数字电路中集中了大部分能量的频率范围(0.5/Tr),记为Fknee,一般认为超过这个频率的能量对数字信号的传输没有任何影响。
  17. 传输延迟(Propagation delay):指信号在传输线上的传播延时,与线长和信号传播速度有关,记为tPD。
  18. 微带线(Micro-Strip):指只有一边存在参考平面的传输线。
  19. 带状线(Strip-Line):指两边都有参考平面的传输线。
  20. 趋肤效应(Skin effect):指当信号频率提高时,流动电荷会渐渐向传输线的边缘靠近,甚至中间将没有电流通过。与此类似的还有集束效应,现象是电流密集区域集中在导体的内侧。
  21. 信号回流(Return current):指伴随信号传播的返回电流。
  22. 自屏蔽(Self shielding):信号在传输线上传播时,靠大电容耦合抑制电场,靠小电感耦合抑制磁场来维持低电抗的方法称为自屏蔽。
  23. 前向串扰(Forward Crosstalk):指干扰源对牺牲源的接收端产生的第一次干扰,也称为远端干扰(Far-end crosstalk)。
  24. 后向串扰(Forward Crosstalk):指干扰源对牺牲源的发送端产生的第一次干扰,也称为近端干扰(Near-end crosstalk)。
  25. 屏蔽效率(SE):是对屏蔽的适用性进行评估的一个参数,单位为分贝。
    吸收损耗:吸收损耗是指电磁波穿过屏蔽罩的时候能量损耗的数量。
    反射损耗:反射损耗是指由于屏蔽的内部反射导致的能量损耗的数量,他随着波阻和屏蔽阻抗的比率而变化。
  26. 校正因子:表示屏蔽效率下降的情况的参数,由于屏蔽物吸收效率不高,其内部的再反射会使穿过屏蔽层另一面的能量增加,所以校正因子是个负数,而且只使用于薄屏蔽罩中存在多个反射的情况分析。
  27. 差模EMI:传输线上电流从驱动端流到接收端的时候和它回流之间耦合产生的EMI,就叫做差模EMI。
  28. 共模EMI:当两条或者多条传输线以相同的相位和方向从驱动端输出到接收端的时候,就会产生共模辐射,既共模EMI。
  29. 发射带宽:即最高频率发射带宽,当数字集成电路从逻辑高低之间转换的时候,输出端产生的方波信号频率并不是导致EMI的唯一成分。该方波中包含频率范围更宽广的正弦谐波分量,这些正弦谐波分量是工程师所关心的EMI频率成分,而最高的EMI频率也称为EMI的发射带宽。
  30. 电磁环境:存在于给定场所的所有电磁现象的总和。
    电磁骚扰:任何能引起装置、设备或系统性能降低或者对有生命或者无生命物质产生损害作用的电磁现象。
    电磁干扰:电磁骚扰引起设备、传输通道和系统性能的下降。
    电磁兼容性:设备或者系统在电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。
  31. 系统内干扰:系统中出现由本系统内部电磁骚扰引起的电磁干扰。
    系统间干扰:有其他系统产生的电磁干扰对一个系统造成的电磁干扰。
  32. 缓冲延迟(buffer delay):指信号经过缓冲器达到有效的电压输出所需要的时间
  33. 时钟抖动(Jitter):时钟抖动是指时钟触发沿的随机误差,通常可以用两个或多个时钟周期之间的差值来量度,这个误差是由时钟发生器内部产生的,和后期布线没有关系。
  34. 时钟偏移(Skew):是指由同样的时钟产生的多个子时钟信号之间的延时差异。
    假时钟: 假时钟是指时钟越过阈值(threshold)无意识地改变了状态(有时在VIL 或VIH之间)。通常由于过分的下冲(undershoot)或串扰(crosstalk)引起。
  35. 电源完整性(Power Integrity): 指电路系统中的电源和地的质量。
  36. 同步开关噪声(Simultaneous Switch Noise):指当器件处于开关状态,产生瞬间变化的电流(di/dt),在经过回流途径上存在的电感时,形成交流压降,从而引起噪声,简称SSN。也称为Δi噪声。
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