具有微脉冲波吸收功能的信号传输装置

摘要

本发明公开了一种具有微脉冲波吸收功能的信号传输装置，其包括：输入端、传输段和输出端，其中，所述输出端与感性负载相连，所述输入端与驱动电路相连；第一微脉冲波泄放模块，所述第一微脉冲波泄放模块设置在所述输出端，用于对所述感性负载产生的微脉冲波进行泄放；以及第二微脉冲波泄放模块，所述第二微脉冲波泄放模块设置在所述输入端，用于对通过所述第一微脉冲波泄放模块的残余微脉冲波进行二次泄放。本发明的具有微脉冲波吸收功能的信号传输装置能够吸收比纳秒和微秒区间更短时间间隔的微脉冲波，有效改善设备的EMC性能，降低高频数据传输中的错误。

说明书

技术领域

本发明涉及信号传输技术领域，特别涉及一种具有微脉冲波吸收功能 的信号传输装置。

背景技术

在电路中，几乎所有的线路和元器件都有电感的存在。由于电路中基 本都有电感的存在，从而由半导体开关特性或者电容充放电电流换向等等 原因造成电感放电时会产生脉冲波，并且由于导体趋肤效应、导体表面缺 陷、吸收器件速度等多方面原因会造成脉冲波在最初发生的极短时间内（例 如皮秒飞秒区间）不能被很好地吸收，这是一个广泛存在于电路中的典型 的EMI（Electro Magnetic Interference，电磁干扰）问题。

基于傅里叶变换的频谱分析方法对这类出现频率可能并不高、但局部 具有极高频性质的脉冲波，极易造成忽略，传统的仪器也很难捕捉到它的 踪迹。虽然人们在电磁兼容领域补充了快速瞬变脉冲群的测试，但也仅在 接口部分应用，其相应的处理方法也基本停留在纳秒和微秒区间，从广度 和深度来说，人们对脉冲波危害的认识是远远不够的。大量因瞬间的放电 导致辐射和干扰错误的现象也被归到了较低频段的连续波中，因而产生的 对策通常也是低效和代价昂贵。特别是在对此类脉冲波极为敏感的音频领 域，对该问题的认识和处理更是严重空白。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。

为此，本发明需要提出一种具有微脉冲波吸收功能的信号传输装置， 能够吸收比纳秒和微秒区间更短时间间隔的微脉冲波，有效改善设备的 EMC性能，降低高频数据传输中的错误，特别是消除音频领域的数码声现 象。

为达到上述目的，本发明实施例提出的一种具有微脉冲波吸收功能的 信号传输装置，包括：输入端、传输段输出端，其中，所述输出端与感性 负载分别相连，所述输入端与驱动电路相连；第一微脉冲波泄放模块，所 述第一微脉冲波泄放模块设置在所述输出端，用于对所述感性负载产生的 微脉冲波进行泄放；以及第二微脉冲波泄放模块，所述第二微脉冲波泄放 模块设置在所述输入端，用于对通过所述第一微脉冲波泄放模块的残余微 脉冲波进行二次泄放。

根据本发明实施例的具有微脉冲波吸收功能的信号传输装置，对脉冲 波在纳秒和微秒区间吸收的基础上还具备对更短时间间隔的微脉冲波进行 吸收的能力，能有效改善设备EMC性能，降低高频数据传输中的错误，改 善感性系统中高频开关带来的辐射干扰，并且还能有效降低成本。尤其在 音频领域，能够消除音频领域的数码声现象，其对音质的改善也具有特殊 的意义。

在本发明的一个实施例中，所述传输段为微脉冲波消耗模块，所述微 脉冲波消耗模块设置在所述第一微脉冲波泄放模块和第二微脉冲波泄放模 块之间。

在本发明的一个优选实施例中，所述感性负载为扬声器。并且，所述 输出端包括第一输出端和第二输出端，所述第二输出端可以与所述扬声器 的磁体相连。

在本发明的一些实施例中，所述第一微脉冲波泄放模块、所述第二微 脉冲波泄放模块和所述微脉冲波消耗模块构成滤除微脉冲波的∏型滤波 器。

在本发明的一个具体实施例中，所述微脉冲波消耗模块为具有预设阻 抗的导线。并且，所述导线设有屏蔽层。

在本发明的一些实施例中，所述导线外套有抗干扰环。所述抗干扰环 可以为磁环或金属环。

在本发明的一些实施例中，所述导线具有多个特性阻抗不连续点。

其中，在本发明的实施例中，所述第二微脉冲波泄放模块还用于对所 述导线产生的微脉冲波进行泄放。

具体地，所述第一微脉冲波泄放模块和第二微脉冲波泄放模块包括： 电阻；与所述电阻并联的多个pf或者ff级别的高频电容；以及与所述高频 电容并联的、导通速度在皮秒级乃至更低的稳压管。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面 的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描 述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为现有的一个典型的电感负载传输电路图；

图2为根据本发明实施例的具有微脉冲波吸收功能的信号传输装置的 电路示意图；

图3为根据本发明一个优选实施例的具有微脉冲波吸收功能的信号传 输装置的电路示意图；

图4为根据本发明另一个实施例的具有微脉冲波吸收功能的信号传输 装置的电路示意图；以及

图5为根据本发明又一个实施例的具有微脉冲波吸收功能的信号传输 装置的电路示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其 中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功 能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发 明，而不能解释为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结 构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。 当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以 在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目 的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明 提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意 识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一 特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的 实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这 样第一和第二特征可能不是直接接触。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、 “相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以 是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连， 对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体 含义。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。 在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式， 来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的 实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要 求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

在描述本发明实施例提出的具有微脉冲波吸收功能的装置之前先来描 述一下电路中脉冲波的产生机理。

这里提到的脉冲波指的是由电感中电流快速变化而引起的，这是一个 普遍的物理现象。例如，一个典型的电感负载传输电路如图1所示，图1 中除了电源V、控制开关K、负载电感L’和负载电阻R’，传输线缆自身 还存在线缆电感（l1、l2……l2n），线缆电容（C1、C2……Cn）以及线缆 趋肤电阻（r1、r2……r2n）。

其中，一方面，在通常的电路中，AC-DC转换导致电源的瞬间失电；另 一方面，受到输入端脉冲波的干扰，或者信号过零时，少数载流子的半导体驱 动输出管会出现瞬间电流关闭现象。而在失电瞬间电流变化率dI/dt巨大。其 中由于负载感性，电流将沿线缆继续传输，又由于趋肤效应的存在，高速变化 的电流只能在线缆表面传输，使得线缆电阻远大于正常的直流电阻。更严重的 是，线缆通常由铜材制成，表面会出现一层由Cu2O和CuO组成的氧化膜， 该氧化膜的致密层和纯铜层间可能存在逐渐过渡区域。电子被急速变化的电磁 场挤入氧化铜含量极高的半导体层中，或者相当于进入了极为粗糙的导体表 面，进一步加大了线缆电阻，这使得本来用于吸收电流变化的电容充电几乎失 效。因此，这些高频信号电流几乎全部传输到终端，从而导致驱动器的输出端 口出现一个时间极短的差模高压脉冲，并伴随强烈的脉冲电磁辐射和共模脉冲 干扰。从而在数字电路中可能造成数据错误和死机，在音频电路形成刺耳的失 真。

由于这个感性负载可由线路中任意一段导线构成，因此这个脉冲波将遍布 存在于电路内部各个部分。这个在飞秒和皮秒区间即已生成，由差模脉冲、脉 冲电磁辐射和共模脉冲组成的脉冲波在本发明中称为微脉冲波。其跟电磁兼容 EMC理论中通常提及的脉冲波不同，这个遍布存在于电路内部各个部分的微 脉冲波绝大多数时候平均能量不大，衰减呈指数特性，幅度可正负分布，也可 单向分布。而电磁兼容EMC理论中通常提及的脉冲波，一般由机械开关和大 型感性负载引起，纳秒级生成，在纳秒级电压千伏左右，成群出现，具有较大 的平均能量，单电压分布，衰减呈指数特性，从电源和接口部分进入电路。

由于微脉冲波生成时间极短，衰减迅速，几乎不可触发普通观察设备，甚 至探头线都可能迅速衰减其传输，同时与其谐波频率比，其出现的频率又非常 低，因此很难扑捉到它的踪迹，对它的处理更是空白。本申请的发明人经过多 年的研究，终于在音频领域很好地验证了它的存在，因为经过长期进化，人类 听觉系统具备了对细微快速变化的异常声音较为敏感的特点。音强正比于扬声 器振膜的加速度，整体能量不大的脉冲波能使振膜具备局部较大的加速度。这 样大自然中罕见的脉冲波能顺利在人耳中形成事件，并得以记忆。当脉冲波出 现的频率和强度与它伴生的声音满足一定条件时，脉冲波的出现便影响了人的 感知。初步研究表明，微脉冲波带来的失真，可能即是音响系统中电路失真的 主体，或者是最重要部分之一。而该领域内试图用瞬态互调失真（ＴＩＭＤ）、 界面互调失真（ＩＩＭＤ）和相位互调失真（ＰＩＭＤ）解释的现象实际 应该来源于此。

因此，发明人经过多次实验，通过在常规电路对脉冲波在纳秒和微秒 区间吸收的基础上增加了对更短时间间隔的微脉冲波进行吸收的装置，一 举解决了上述难题，有效改善设备的EMC性能，提高了高频数据传输的准 确率，降低了辐射干扰，尤其是在音频领域，对提高音质具有深远的意义。

下面就参照附图来描述根据本发明实施例提出的具有微脉冲波吸收功 能的信号传输装置。

图2为根据本发明实施例的具有微脉冲波吸收功能的信号传输装置的 电路示意图。如图2所示，该具有微脉冲波吸收功能的信号传输装置包括 第一输入端201、第二输入端202、第一输出端203和第二输出端204以及 传输段、第一微脉冲波泄放模块100和第二微脉冲波泄放模块200。

其中，第一输出端203和第二输出端204与感性负载205分别相连， 所述输入端与驱动电路（图中未示出）相连，第一微脉冲波泄放模块100 设置在所述输出端，通过导线与第一输出端203和第二输出端204相连， 用于对感性负载205产生的微脉冲波进行泄放，第二微脉冲波泄放模块200 设置在所述输入端，通过导线与第一输入端201和第二输入端202相连， 用于对通过第二微脉冲波泄放模块200的残余微脉冲波进行二次泄放。

在本发明的实施例中，如图2所示，所述传输段为微脉冲波消耗模块 300，微脉冲波消耗模块300设置在第一微脉冲波泄放模块100和第二微脉 冲波泄放模块200之间。

也就是说，在本发明的实施例中，如图2所示，A段和C段是微脉冲 波的泄放区，A段负责泄放来自感性负载205产生的微脉冲波，C段负责 泄放从A段残留过来的微脉冲波，同时也处理B段线路电感形成新的微 脉冲波，即第二微脉冲波泄放模块200还用于对B段导线产生的微脉冲波 进行泄放。

具体地，第一微脉冲波泄放模块100和第二微脉冲波泄放模块200均 包括电阻R1、多个pf或者ff级别的高频电容（例如C1’、C2’、C3’、 C4’）和导通速度在皮秒级乃至更低的稳压管D1。其中，多个pf或者ff 级别的高频电容并联后与电阻R1并联连接，稳压管D1与多个pf级别的高 平电容并联。并且，稳压管大电流时为TVS（Transient Voltage Suppresser， 瞬态电压抑制器），多个pf级别的电容为高频电容和电阻R1为高频电阻。 需要说明的是，表面光洁度高氧化层薄的高频线缆，其线间电容可部分代 替前述高频电容。

稳压管以线路最大输出电压的峰值来确定，并取预设余量，根据实际 情况进行标定。该稳压管可以在皮秒级吸收线路中存在的正向和反向脉冲， 并将其直接转换为热量，不会形成振荡，是优选的器件，在交流信号回路 中，该稳压管需用双向稳压管T1代替，如图3所示。使用稳压管和类似器 件的缺点是对低于击穿电压的剩余脉冲无能为力，这个部分主要由电容来 完成，而为防止电容向电感回送能量，须并联电阻予以消耗，因此实际应 用中要特别注意电阻、电容和稳压管的引线电感和谐振频率，电容必须采 用高频结构，优选穿心和三端EMI电容，其中必须有极小容量组成，例如 1pf、0.1pf或以下。表面无氧化层、趋肤电阻小的高频线材其线间电容具有 较好的吸收特性，可部分代替上述电容的作用。

其中，电容的最高工作频率取决其谐振频率，例如以0805封装的普通 贴片为例，引脚电感取0.5nH。C1’可以取300pf、C2’ 可以取1pf、C3’可以取0.1pf。并且，0.01uf对应的频率为70MHz，100pf 对应的频率为700MHz，1pf对应的频率为7GHz，0.1pf对应的频率为 22GHz，0.01pf对应的频率为70GHz，而同等容量的三端电容的工作频率 一般要高2-3倍。

在本发明的一个实施例中，如图2所示，B段是信号的主传输段，也 是微脉冲波的阻力区，在保证信号主频段损耗电阻不致过大的条件下使用 趋肤电阻较大的线材，即言，微脉冲波消耗模块300为具有预设阻抗的导 线。这是因为对某一脉冲波而言，其最大能量为该线路和负载总电感的储 能，为一固定值经过趋肤电阻R的线材，其瞬间损耗的功率为I²R， 终端形成的附加电压为IR，因此使用趋肤电阻大的线材，其持续时间也将 更短，虽然微脉冲波在终端形成的电压更高，但在有第二微脉冲波泄放模 块200中的稳压管高速击穿保护的前提下，将能获得更好的消除微脉冲波 影响的效果。

在本发明的一个具体示例中，在10MHz信号传输时，接收端输入阻抗 75欧姆，线材选取外径为1.0mm和0.3mm两款10米铜线作比较。趋肤深 度近似计算公式（单位为cm），其中f为电路的工作频率（单位为 Hz），信号频率fs取10MHz、脉冲波频率fp取10GHz，其趋肤深度分别 为εs=21um，εp=0.66um，1.0mm导线信号和微脉冲波趋肤有效截面积分别 是As=0.066mm2、Ap=0.0021mm2，10米长度下的电阻由R=ρL/S（铜的 电阻率ρ=0.0175）分别得出是Rs=2.65Ω，Rp=83Ω。0.3mm导线Rs=8.0Ω， Rp=249Ω，如果线路主频的衰减20%合格的话，两款线均符合要求，而 0.3mm的线显然抗微脉冲波的性能更好。这就意味着线径小表皮氧化层厚 的廉价线材具有更好的抗脉冲波能力，能有效降低成本。

而在没有A段和C段泄放区的普通传输系统中（通常驱动芯片内部的 钳位二极管速度在纳秒区间，用于泄放的电源层在皮秒区的内阻也很大， 皮秒区的微脉冲波基本得不到很好吸收），最初的吸收能力主要靠线间电 容提供，较粗的导线具有相对小的趋肤电阻，能提供相对较好的放电能力， 特别是镀银线具有很浅的过渡氧化层，因而具有更好的极高频趋肤电阻， 因此它们具有比线径小氧化层厚的廉价线材更优秀的抗微脉冲波能力。就 它们传输的音频、视频、乃至百兆网的信号主频而言，从上述可知廉价线 和高档线并没有实际意义的差异。

同理在音频系统中，由于主频很低，信号电流几乎没有趋肤效应，在 本发明的一些实施例中，可以采用因导磁率高造成趋肤层很薄的铁材，在 有第一微脉冲波泄放模块100和第二微脉冲波泄放模块200泄放保障的前 提下，将取得比高档铜材更好的微脉冲波抑制效果，在听觉表现上更加干 净、透亮、细腻和定位准确，因此，本发明在音频领域对改善音质具有划 时代的意义。在本发明的一个实施例中，如图3所示，感性负载205可以 为扬声器301，并且第二输出端204与扬声器301的磁体相连。此外，第 一输入端201和第二输入端202与功放302分别相连。

另外，电源线、视频线、百兆网线采用过渡氧化层厚的铝材，也将取 得比铜材更好的EMC性能。

除了趋肤效应可以制造极高频的损耗，因导线的特性阻抗变化带来的 高频反射效应也可以加以利用。因此，在本发明的一些实施例中，所述导 线具有多个特性阻抗不连续点。在高频电路中，当信号经过特性阻抗不连 续点时，会带来反射，因而也必定带来因反射的能量损失，两个线段特性 阻抗变比越大，反射越强大，和趋肤效应的道理一样，可以控制好线段特 性阻抗的变比，使主频的衰减在要求范围内的同时，造成微脉冲波的最大 损耗。

其中，线缆特性阻抗简化公式L为单位线缆长度的电感，C 为单位线缆长度的电容。在音频系统中，由于信号频段与微脉冲波中心频 率差得较远，频率很低，特性阻抗变化带来的反射通常可忽略不计，本发 明一些实施例可以使用以多组铜线铁线交错相接的传输线，如图3所示。 因为两种材料导磁率的很大差异，带来了L的大变化，这样差模微脉冲波 的高频能量损失将以几何倍数方式衰减，其听觉的效果得到大大改善。

这个依靠特性阻抗反射的应用可以存在于所有的信号传输之中，其特 性阻抗的变化比取决于微脉冲波能量的中心频率与主信号频率之比，同时 也取决于其对主频率信号的衰减是否在合理区间。

在本发明的实施例中，第一微脉冲波泄放模块100、第二微脉冲波泄 放模块200和微脉冲波消耗模块300构成滤除微脉冲波的∏型滤波器。需 要说明的是，在本发明的其他实施例中，第一微脉冲波泄放模块100、第 二微脉冲波泄放模块200和微脉冲波消耗模块300也可分开组合，当然也 可多组连用。

由于微脉冲波极高频谐波成分丰富，在此频率区间，具备辐射特性的 共模脉冲危害甚大，在本发明的一些实施例中，如图2或图3所示，所述 导线外套有抗干扰环400。其中，抗干扰环400可以为磁环或金属环。可 以理解的是，导线上可以补充多组磁环和金属环例如镀金铜环，在导线上 设有镀金铜环在极高频下具有更好的特性。

同样是为了抑制共模脉冲，在本发明的实施例中，所述导线还设有屏 蔽层，也就是说，所述导线采用了屏蔽线，感性负载例如扬声器外壳也可 采取接地措施，有效降低辐射脉冲波，降低了共模脉冲波对驱动级的冲击。

而在传统的信号传输系统中，采用高频性能好的高级线材（例如镀银 线、单晶铜线），由于其趋肤电阻在皮秒区间明显小于普通线材，因而可 以提供极短时间下的放电电容的通道，这是其优于普通铜线系统的重要原 因，但是趋肤电阻小同时也带来缺点，即将脉冲能量较少损耗地传给驱动 级，而且还会因为能量损失慢与线缆电感、负载电感来回传递能量发生振 荡。本发明采用趋肤电阻大的普通线材系统，可以在B段形成高的脉冲电 压，在稳压管D1上转换的热能损耗更大，让脉冲的持续时间变短，同时又 避免了高压对输出级的冲击，所以更优于高频性能好的昂贵线材。因此， 本发明提出的具有微脉冲波吸收功能的装置在传输导线上无需采用高频性 能好的昂贵线材，大大节约了成本，具有十分显著的经济效益。

根据本发明实施例的具有微脉冲波吸收功能的信号传输装置，对脉冲 波在纳秒和微秒区间吸收的基础上还具备对更短时间间隔的微脉冲波进行 吸收的能力，能有效改善设备EMC性能，降低高频数据传输中的错误，改 善感性系统中高频开关带来的辐射干扰，同时还能降低线路材质的成本， 减少贵金属和高档铜材的使用，具有十分显著经济效益。尤其在音频领域， 能够消除音频领域的数码声现象，其对音质的改善也具有特殊的意义。

此外，如图4所示，本发明另一个实施例提出的一种具有微脉冲波吸 收功能的信号传输装置包括第一输入端201、第二输入端202、第一输出端 203和第二输出端204以及微脉冲波泄放模块500。其中，第一输出端203 和第二输出端204与感性负载205分别相连，微脉冲波泄放模块500设置 在所述输入端，其一端通过导线与第一输入端201和第二输入端202相连， 其另一端通过导线与第一输出端203和第二输出端204相连，用于对感性 负载205产生的微脉冲波进行泄放。本实施例的具有微脉冲波吸收功能的 信号传输装置与上述实施例相比，只在输入端设置了微脉冲波泄放模块， 简化了电路结构，吸收微脉冲波的效果也十分显著。

最后，如图5所示，本发明又一个实施例提出的一种具有微脉冲波吸 收功能的信号传输装置包括第一输入端201、第二输入端202、第一输出端 203和第二输出端204以及微脉冲波泄放模块600。其中，第一输出端201 和第二输出端202与感性负载205分别相连，微脉冲波泄放模块600设置 在所述输出端，其一端通过导线与第一输入端201和第二输入端202相连， 其另一端通过导线与第一输出端203和第二输出端204相连，用于对感性 负载205和导线产生的微脉冲波进行泄放。本实施例的具有微脉冲波吸收 功能的信号传输装置与上述实施例相比，只在输出端设置了微脉冲波泄放 模块，同样地，简化了电路结构，吸收微脉冲波的效果也十分显著。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、 “具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体 特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在 本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。 而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实 施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员 而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例 进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等 同限定。