最大限度地減少線(xiàn)纜設計中的串擾方法解析

　　最近在做一個(gè)項目時(shí)，我不得不對幾組電子電線(xiàn)進(jìn)行重新布線(xiàn)，讓它們遠離越野車(chē)的發(fā)電機，因為電容耦合產(chǎn)生的噪聲可從發(fā)電機進(jìn)入電線(xiàn)。這個(gè)項目讓我想起了在通過(guò)電線(xiàn)、帶狀線(xiàn)纜或板對板連接器布線(xiàn)相互之間相鄰信號時(shí)所遇到的類(lèi)似情況。

　　正如采用絕緣體隔離的任何其它導體一樣，任何相鄰布線(xiàn)的兩條電線(xiàn)都會(huì )在其之間產(chǎn)生電容。根據所用的線(xiàn)規和絕緣體材料，大部分標準帶狀線(xiàn)纜及電線(xiàn)會(huì )在電線(xiàn)之間產(chǎn)生 10 至 50 pF/ft 的電容，如下圖 1 所示。

　　圖 1. 帶狀線(xiàn)纜中相鄰電線(xiàn)間的電容

　　由于信號會(huì )相互干擾，兩條信號線(xiàn)之間的電容會(huì )引起信號延遲、噪聲耦合或瞬態(tài)電壓。

　　圖 2 是電纜電容在通用雙線(xiàn)開(kāi)漏通信總線(xiàn)中引起大量瞬態(tài)電壓的實(shí)例。右圖是“開(kāi)始”命令與左圖前幾個(gè)時(shí)鐘脈沖的放大圖。

　　圖 2. 帶狀線(xiàn)纜的電容耦合

　　使用三英尺長(cháng)的線(xiàn)纜路由兩個(gè)相鄰通信信號時(shí)，會(huì )出現圖 2 中的結果。這會(huì )導致兩個(gè)信號間的電容超過(guò) 50pF。

　　由于該電容的存在，在一個(gè)信號產(chǎn)生變化時(shí)，可導致另一個(gè)信號產(chǎn)生電壓瞬變。其產(chǎn)生的原因是，當一個(gè)信號電平發(fā)生變化時(shí)線(xiàn)纜電容需要瞬態(tài)電流在信號間流動(dòng)。

　　靜態(tài)信號上出現的瞬態(tài)電壓強度取決于線(xiàn)纜電感以及信號驅動(dòng)器提供所需瞬態(tài)電流的能力。在這種情況下，由于耦合引起的瞬態(tài)電壓非常高，超過(guò)了可導致數據損壞的邏輯電平閥值，因此通信無(wú)法成功進(jìn)行。

　　在信號間安放一根或多根 GND 線(xiàn)，會(huì )減少其間的電容，如圖 3 所示。這種方法可降低信號間的電容，但同時(shí)會(huì )導致來(lái)自每個(gè)信號的 GND 電容。GND 電容會(huì )引起信號延遲與數字邊界環(huán)繞，但只要影響不太嚴重，通常不會(huì )導致通信故障。

　　圖 3. 采用 GND 分離信號

　　圖 4 顯示了在我對其進(jìn)行修改 — 在信號線(xiàn)之間添加兩個(gè) GND 信號后的通信信號效果。改動(dòng)后信號間電容降至約 10pF。這樣，瞬態(tài)電壓得到了顯著(zhù)降低，通信獲得了成功。

　　圖 4. 通過(guò)降低電容實(shí)現成功的通信

　　總之，在設計線(xiàn)纜、電線(xiàn)以及 PCB布線(xiàn)設計方案時(shí)要注意雜散電容耦合的影響。在需要較長(cháng)線(xiàn)纜的應用中，應選擇電容較低的線(xiàn)纜，并通常需要在兩個(gè)可能相互耦合的信號間加入一個(gè)或多個(gè) ac GND 信號。