如何避免在DSP系統中出現噪聲和EMI問(wèn)題

串擾及傳輸線(xiàn)效應

　　信號間的干擾，即串擾，可以通過(guò)電磁輻射在印制線(xiàn)間傳播。這也可能由電源和地平面上的無(wú)用信號以電氣的形式產(chǎn)生。串擾與印制線(xiàn)間距的平方成反比。因此，為了將串擾減到最小，單端信號的布線(xiàn)間距應至少是印制線(xiàn)寬度的2倍。對于像以太網(wǎng)和USB這類(lèi)的差分信號，印制線(xiàn)間距需要與印制線(xiàn)寬度相同，目的是能夠與差分阻抗相匹配。關(guān)鍵信號可以用地和電源平面進(jìn)行屏蔽，或者在改板時(shí)增加與信號并行的地線(xiàn)。

　　有些信號還產(chǎn)生引起串擾的高頻諧波。由于輻射的能量正比于信號的上升和下降時(shí)間，較慢的上升或下降時(shí)間引起的干擾將較小。圖6顯示出視頻干擾的實(shí)例，這些干擾可能由內部時(shí)鐘的輻射所引起。在北美地區第二頻道中，18.432MHz的音頻時(shí)鐘的三次諧波，將產(chǎn)生如圖中左側所示的干擾。通過(guò)在音頻時(shí)鐘印制線(xiàn)上增加一個(gè)串聯(lián)電阻來(lái)放慢時(shí)鐘的上升和下降時(shí)間，減小了干擾，其結果如圖6中的右側所示。不過(guò)，設計師需要了解定時(shí)裕度，以便于將上升和下降沿降低到系統所允許的限度內。

 
圖6：解決音視頻串擾。

　　與串擾相關(guān)的是傳輸線(xiàn)效應，這種效應在高速印制線(xiàn)變成產(chǎn)生輻射干擾的發(fā)射器時(shí)產(chǎn)生。通常，當信號的上升時(shí)間小于傳播延遲的2倍時(shí)，印制線(xiàn)才發(fā)射信號。這就暗示出了一個(gè)經(jīng)驗，即為了減小傳播延遲，印制線(xiàn)的長(cháng)度應盡可能短。另一個(gè)是合理的信號端接將減慢信號的上升時(shí)間，從而將反射引起的過(guò)沖和欠沖減到最小。圖7顯示了如何利用并行端接來(lái)校正電平并將傳輸線(xiàn)效應減到最小。

 
圖7:利用端接將傳輸線(xiàn)效應減到最小。

　　設計師可能會(huì )質(zhì)疑，既然芯片內部已經(jīng)集成了電阻，在外部端接負載電阻是否還有其重要性。實(shí)際上，除了控制傳輸線(xiàn)效應外，外部電阻還可以實(shí)現信號完整性的精密調整。DSP無(wú)法與電路板阻抗完全匹配，因此端接負載可以減小源電流，以及上升和下降時(shí)間。

　　與外部端接負載電阻一樣，外部的上拉和下拉電阻也是重要的。對于無(wú)連接的引腳來(lái)說(shuō)，雖然內部的上拉和下拉電阻是足夠的，但高速開(kāi)關(guān)噪聲能夠傳過(guò)來(lái)，并會(huì )誤觸發(fā)連接端上的內部邏輯。

控制EMI

　　能夠輻射到系統外的輻射被認為是EMI，這可能使設計無(wú)法通過(guò)FCC認證。有兩種可能的輻射：一種是發(fā)射源是一條直線(xiàn)型的信號印制線(xiàn)，或者電纜的共模輻射，另一種是其信號和回路構成一個(gè)大電流環(huán)路的差分模式輻射。共模輻射隨著(zhù)頻率的升高而降低，而差分模式輻射則隨著(zhù)頻率的升高而增強，直到其飽和點(diǎn)。這兩種模式的輻射如圖8和9所示。

 
圖8：共模輻射。

 圖9：差模輻射。

　　如何處理EMI取決于輻射源。對于共模輻射，當EMI來(lái)自外部電纜時(shí)(例如圖8所示的情況)，可以在電纜上加一個(gè)扼流圈。如果導致EMI的是內部傳輸線(xiàn)，則通常用端接負載的方式，不過(guò)在信號印制線(xiàn)間加入一條地線(xiàn)也有助于減小輻射。另一種可能的方案是將信號的印制線(xiàn)長(cháng)度減短至小于信號波長(cháng)(或信號頻率的倒數)的1/20。例如，為了避免傳輸輻射，500MHz的印制線(xiàn)應該短于1.18英寸。

　　對于差分模式輻射，所輻射的能量是電流、環(huán)路面積和頻率的函數。減小輻射的方法包括：端接負載來(lái)降低源電流，用合適的電流通道來(lái)提供可以減小回路面積的回路，或者降低頻率。

　　在計算退耦電阻時(shí)，還應考慮動(dòng)態(tài)電流。高速電流可能隨時(shí)變化，這種瞬變也會(huì )引起輻射。此外，改變電容器的值時(shí)要防止自諧振限制頻率范圍。PCB分層是一個(gè)好方案，因為電源層對高頻形成自然的退耦，而地層則提供最短的回路。把高速信號隔離起來(lái)，并使其遠離其他信號。如果可能的話(huà)，不要把地層隔開(kāi)。盡管噪聲和輻射是由系統設計中的復雜的無(wú)用功能引起的，但通過(guò)上述的一些簡(jiǎn)單方法還是可以控制的。

本文小結

　　高速的DSP視頻系統中有許多潛在的噪聲和輻射源，它們可以擾亂系統的工作，或者使設計通不過(guò)FCC的認證。所幸的是，對噪聲和輻射的規劃和掌握可以幫助系統設計師將這些問(wèn)題減到最小。早期的努力將節省大量的調試工作和后期的麻煩。PCB布局和回路退耦是設計師可以限制系統噪聲和EMI的兩種常用技術(shù)。具備了這些技術(shù)，DSP視頻設計師就能有效地解決系統的噪聲和輻射。