钱振宇
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除了精心设计线路和选择性能优异的电子电气设备外，一外， 印刷电路板设计、设备结构设计除高质量元件外 是决定设备电磁兼容性的关键.在印刷线路板上的电磁兼 容量问题包括：公共阻抗耦合、线间串扰、高频载流导线 电磁辐射，印刷电路板对高频辐射的感应，长期波形 传输中的畸变等.
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1 印刷电路板的设计 1.1 单面板和双面板的设计 Ⅰ. 单面板 单板制造简单，组装方便，适用于一般电路要求，不适 用于需要高组装密度或复杂电路的场合.若线路板 布局设计合理，能满足电磁兼容的要求.
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Ⅱ. 双面板 双面板适用于只要求中等装配密度的场合.安装在这种板上 上部部件易于维修或更换. 使用双面板比单面板更有利于实现电磁兼容性设计. 单面或双面板(这意味着没有特殊的电源面和地线) 布线时，最快的方法是手动布线，然后关闭 键信号,例如，高速时钟信号或敏感电路靠近它们的地回路 布置在旁边，最后布线其他电路.一开始就有 一个明确的目标应该在电路图上给出尽可能多的信息，这包 括: · 电路板上不同功能模块的位置要求； · 敏感器件和I/O接口位置要求； · 不同的地线应在线路图上标明，以及对关键连接的要求； · 不同的地线可以连接在哪里，哪里不同 允许; · 哪些信号线必须靠近地线.
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Ⅲ. 线路板设计的一般规律 在布置印刷板时，首先确定板上部件的位置，然后布置 地线、电源线，然后安排高速信号线，最后考虑低速信号 线. 根据电源电压、数字和模拟电路，元件的位置应高速 低、电流等分组，避免相互干扰.根据组件 位置可以确定印刷线路板上连接器各个引脚的安排.所有 连接器应布置在印刷电路板的一侧，尽量避免从两侧引出 减少共模辐射的电缆.
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Ⅳ. 电路板的布局 电路板的布局原则: ①数字电路和模拟电路应分开布局，特别是低电平 模拟电路应尽可能远地分开，以避免公共阻抗. ②对高速,中速和低速电路要分开布局,使用各自的区 域. 图中给出了几个布局，每个都有自己的布局原则，只有 供读者参考.
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Ⅴ. 接线板 ①地线 线路板布线时，先布置地线网格，再进入 行信号线和电源线的布线.双面板布线时，如果通过 孔的阻抗可以忽略，所以可以在线路板的一个表面走横线， 另一面走竖线.低阻抗地线网非常重要，但最 终地线网格应与主参考地结构连接，可连接 间接(通过电容器)或直接. 地线网特别适合数字电路，但不适合小信号模拟 电路应避免公共阻抗耦合.在这种情况下， 应强调不同区域（对应不同性质的电路，见前图） 使用各自的地线和电源线，这些地线不能简单地串联起来， 相反，单独处理，最后汇集到一点.
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还有一种必须避免的地线方法，即梳状地线.要特 别避免给高速数字电路应用.这种地线结构使信号返回 流电流的大环路会增加辐射和敏感性.芯片之间 公共阻抗也可能导致电路误动.其实只要梳牙 在横线之间，梳齿地线结构很容易变成地线网格， 见下图所示.电路板上的高频去耦电容降低电流峰值 公共阻抗上的压降有很大的好处. 另外，地线布局要尽量加粗，最好使线宽达到2~ 3mm以上.允许地线通过电流达到印刷板布线的能力 值的3倍以上.
梳齿状地线 网格状地线
不良布局
5V
金属化孔
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电源与地呈"井"不同的字布线可以平衡IC电路之间 地线峰值电流 QIANZHENYU 8
②电源 根据电流的大小，尽量放宽电源线布线的宽度.电源和 地线方向应一致，线路应尽可能靠近，最好的方法是电源线 走线路板的一侧，地线走另一侧的重叠部分，会导致 电源阻抗最低；也有利于减少差模发射的环路面 积,从而减少电路之间的相互干扰. 除上述措施外，印刷电路板设计正在进行 有一个不成文的设计原则，即尽可能保留电源和地线 多铜有助于减少电源和地面的阻抗，减少电源 辐射和敏感性. 此外,在印刷电路板的电源线入口对地处应布置10～ 100μF或更大容量的去耦电容.
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③线路板一般布线原则 · 电源线和交流线应尽可能布置在不同信号线的印刷板上 否则，线路应与信号线分开. · 特别注意高频电路的电源和地线的分配. · 模拟电路应铺设专用地线.模拟和数字地可以在 模-数转换器的零件单点连接. · 为减少长距离平行线的串扰，必要时可增加印刷线 距离，或有意识地在线路之间插入地线(或电源) 线)作为线间隔离. · 注意电流流通过程中的导线环路面积，因为载流回路对准 外部辐射和通过电流、环路面积、信号频率等乘积成正 比.减少环路面积(特别是时钟电路面积，这是整 电路中频率最高的部分)是减少电路板对外辐射 射.对于敏感电路，同样减少环路面积也会减少连接 机会被外界感知.
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· 在印刷线路板插头上安排更多分散的地线输入 脚(最好的方法是地线和信号线之间的间隔； 第二种方法是在一条地线旁边配两条信号线，比如信 信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-信号-……的格局),这 有助于减少印刷电路板插脚配线的环路面积和平衡电路板 地线电流降低地线阻抗. · 如有可能，线长度，增加导线宽度， 这有助于减少导线的阻抗. · 不要突然改变印刷电路板上的布线宽度；不要突然转动电线 尽可能保持线路阻抗的连续性，防止线路阻抗突变 波形传输过程中的反射和畸变.另外，不要走电线 直角或尖角，防止场地过于集中. · 双面板正反两侧的线条最好垂直布置，有利于防止 相互干扰. · 加热器件(如大功率电阻等)应避免受温度影响 设备(如电解电容)的布局.
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④线路板布线中应说明的其他问题 · 地线处理输入/输出 在谈到信号线滤波时，到，为了减少电缆上的共模辐 需要对电缆采取滤波和屏蔽措施.但无论是滤波还是屏幕 所有的屏蔽都需要一个干净的，没有内部骚扰和污染.当地线 不干净时,对高频滤波器几乎没有影响.除非在布线时 考虑到这个问题，否则这种清洁就不存在了.干净地既可 印刷电路板上的区域也可以是金属板.所 有输入/输出线的滤波和屏蔽必须连接到干净的地面，如下图所示 示.干净地与内部地线只能稍微连接，可以避免 内部信号电流过干净，造成污染.
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· 缓冲输入/输出线 缓冲器应用于连接到数字电路的接口，以避免直接连接 光电隔离器是数字电路地线的理想接口 但是会增加一点成本.输入// 输出地为参考点的缓冲芯片，或使用电阻或扼流圈缓冲 冲,电容滤波用于电路板接口. · 连接电路板和外壳 从提高设备工作可靠性的角度来看，线路板的地板经常需要 连接到外壳.当电路地与外壳需要直流隔离时，可以使用 一个10～100nF射频电容器连接.绝对禁止在线路板上 两个以上的点与外壳相连.这对静电保护尤为重要， 否则，高频静电放电电流可能会通过印刷电路板，影子 响线路板上设备的工作.
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· 线路板设计的重点是 在设计中，不可能实现所有信号线的最佳布线 首先要考虑最重要的部分.从电磁骚扰发射的角度来看 最重要的信号是高电流变化率(di/dt)信号，如时钟 线、数据线、大功率方波振荡器等.从敏感性的角度来看 虑,最重要的信号是前后触发输入电路、时钟系统、小 信号模拟放大器等.这些重要信号一旦分离出来，就可以了 专注于这些电路的设计.
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1.2 多层板设计 Ⅰ. 提出多层板 单面板或双面板不能满足高速逻辑电路的设计 磁兼容性要求，应研究多层板的应用.多层板多 如后图所示.图表显示了各层结构的假设和经常 一层功能的指定. 多层板由三层以上的分离导电图形粘接层压组成.电源 和接地层由35组成μm铜箔板构成.这样，电源分配系统组 成大平面，分布源阻抗极低.因此,多层板比单 双面板可以避免公共阻抗耦合.由于多层板的缺点 结构复杂，维护困难，价格昂贵，仅适用于设计 预期变化不大或没有变化的场合.
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在图中,板间是通过金属化孔互连的,第一层被指定为互 连板,含有元器件.第二层被指定为0V和回路基准电位, 除了用于连接第一层与第三层的贯通孔之外,它是一个整 体的地平面.第三层被指定为+UCC分配层.第四层和第一 层一样被指定为互连板. 0V 回路层和 UCC 分配层形成一个 低阻抗的电源分配系统,这归因于板间的大电容,铜箔的 低电感和低电阻.多层板的这种结构还对第一层和第四层 所产生的辐射骚扰有一定的抑制作用.
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值得一提的是,从电磁兼容的角度看,地线面的主要作用 是减小地线阻抗,从而减少地线骚扰.地线面和电源面的 屏蔽作用是很小的,特别是当器件安装在线路板表面时, 它们几乎没有屏蔽作用.另外,将地线面和电源面布置在 最外层也没有什么好处,特别是在考虑调试,维修和修改 等因素时. 地线面的另一个好处是,能使辐射的环路变得最小,这对 于要求线路板有最小的差模辐射以及最小的对外界骚扰敏 感度都是有力的保证(类似情况,在单面板或双面板的处 理中,必须在高频电路或敏感电路的邻近地方敷设一根地 线).
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Ⅱ. 多层板的设计 多层印刷线路板设计时首先要决定选用的多层板层数.多 层板的层间安排随电路而变,但有以下几条原则需掌握: · 地平面的主要目的是提供一个低阻抗的地,并且给电 源层提供最小的噪声回流.在实际布线中,两地层之间的 信号层,与地层相邻的信号层,是多层板布线中优先考虑 的布线层.高速线,时钟线和总线等重要信号,或对干扰 敏感的信号,应在这些优先信号层上布线和换层. · 电源平面应靠近接地平面,并且安排在接地平面之 下.这样可以利用两金属平板间的电容作电源的平滑电 容,同时接地平面还对电源平面上分布的辐射电流起到屏 蔽作用. · 把数字电路和模拟电路分开,有条件时,将数字电路 和模拟电路安排在不同的层内.其中,模拟电路的低电平 及高电平分别布在地线层和电源层的两侧.
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· 如果一定要把数字电路和模拟电路安排在同一层内,可 采用开沟,加接地线条,分隔等方法补救.模拟的和数字 的地,电源都要分开,不能混用.数字信号有很宽的频 谱,是产生骚扰的主要来源. · 为了抑制大功率器件对微处理器的干扰,以及大功率器 件与数电路对模拟电路的干扰,除了这些部分应当布置在 不同区域外,在处理这几个部分电源线的相互连接时,特 别是与模拟电路的电源连接时,可以用穿了线的铁氧体磁 环(铜线在磁环上绕一匝至两匝)跨接在两部分电源之 间.穿线的铁氧体磁环实际上是一个高频电感,对于低频 模拟信号可以看成零阻抗,然而对高频信号则体现了较高 阻抗,从而阻止了数字部分对模拟电路的干扰.当然,在 模拟电路的电源入口处,如能对地再配合一个高频去耦电 容效果会更好.
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· 时钟电路和高频电路是主要的骚扰和辐射源,一定要单 独安排,远离敏感电路. · 印刷线条(特别是时钟线)要尽量短,宽,直和均匀, 不要任意换层布线.遇拐角尽量采用45°,不用90°.线 不要突变,避免阻抗突变产生信号反射. · 印刷线路的线条在靠近时会产生串扰,为避免这种情况 的发生,线距不要小于线宽的2倍. · 地线层外缘要大于信号层,若层高为H,当外缘大于 10H时,辐射就明显减小;当外缘大于20H时,辐射要减 小70%;外缘达到100H时,辐射要减小98%.
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· 当线路板上布满器件时,地线面已形同一个筛子网,其阻 抗比完整的地线面增加很多.个别过孔密集处几乎成了长条 缝隙.由于信号回流不能跨过缝隙,而要绕着缝隙走,加大 了信号的环路,导致产生较大的辐射和敏感度问题.因此走 线时要尽量避免在地线层上形成长的缝隙. 其实地线面的过孔即使没有形成长条缝隙,也足以影响地线 面的阻抗.在频率较高,电流较大场合下是不能忽视的.例 如在大规模可编程门阵列电路工作时,需要电源线上的贮能 电容提供很大的瞬间电流,由于门阵列电路的引脚排列很 密,在地线面上就形成了许多小孔,增加了地线的阻抗,在 这种时候,最好在芯片四周各安装一个贮能电容.
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几个多层印刷线路板的布局例子 : 四 层 板 的 第 一 方 案 ( S1,G,P,S2. 电 源 1 层 , 地 线 1 层,信号2层),这是一个优选方案,在元件面下有一个 地平面,关键信号优先布在顶层. 四 层 板 的 第 二 方 案 ( S1,P,G,S2. 电 源 1 层 , 地 线 1 层,信号2层)与第一方案类似,适用于主要器件在底层 布局或关键信号底层布线的情况,此方案很少使用.
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六层板布局方案1(优先.S1,G1,S2,P,G2,S3.电源 1层,地线2层,信号3层),首先其电源平面和地平面相 邻;其次,地平面与信号层相邻;优选布线层S2,首选放 一些高di /dt的信号(如时钟线),其次选S3和S1.主电源 及其对应的地在第4层和第5层.若需考虑层厚设置,应增 大S2～P之间的间距,减小P～G2之间的间距.在减小电源 平面的阻抗同时,减弱电源层对S2的影响. 当成本要求较高时,可采用六层板布局方案2(亦为优先布 局.S1,G,S2,S3,P,S4.电源1层,地线1层,信号4 层),优选布线层S1,S2,其次是S3和S4. 六层板的方案3(S1,S2,G,P,S3,S4.电源1层,地线 1层,信号4层)则保证了电源和地平面相邻,减少电源阻 抗,但只有S2才有好的参考平面. 六层板的方案4(S1,G1,S2,G2,P,S3.电源1层,地 线2层,信号3层)适用于对于少量信号要求高的场合,它 能提供最好的布线层S2.
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八层板的布局方案1(优选.S1,G1,S2,G2,P,S3, G3,S4.电源1层,地线3层,信号4层)的优势在于没有 相邻的布线层,主电源则与对应地相邻,保证了所有信号 层与地平面相邻.缺点是减少了一层布线层. 八层板的布局方案2(折衷.S1,G1,S2,S3,P,S4, G2,S5.电源1层,地线2层,信号5层)与方案1相比,多 了一层布线层,但S3 受的干扰会大一些. 对于八层板中有两个电源的情况,推荐采用方案3(S1, G1.S2,P1,G2,S3,P2,S4.电源2层,地线2层,信 号4层),其优点是没有相邻的布线层;层的布局结构对 称;主电源与对应的地相邻.缺点是在S4上应减少关键布 线.
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在十层板布局上,对于单电源情况,首选方案1(S1, G1,S2,G2,S3,G3,P,S4,G4,S5. 电 源 1 层 , 地 线4层,信号5层).如考虑成本,可选择方案2(S1, G1,S2,S3,G2,P,S4,S5,G3,S6.电源1层,地线 3层,信号6层). 十 层 板 中 的 方 案 2 ( S1,G1,S2,P1,S3,G2,P2, S4,G3,S5.电源2层,地线3层,信号5层) ,电源及其 对应的地放在第六和第七层,优选的布线层为S2,S3, S4;其次为S1和S5.为减少串扰,应避免S2和S3层上有平 行的长距离布线. 十层板中的方案 3 (S1,G1,S2,G2,P1,P2,G3, S3,G4,S4.电源2层,地线4层,信号4层)与方案3相 比,减少了一层布线层.在成本要求不高,电磁兼容指标 要求较高,以及有两个电源层的情况下可采用这一方案. 最优布线层为S2和S3.
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2 在电路设计上的一些有益建议 · 只要满足要求,宁可使用速度较低的电路,不要为了减 少芯片而片面地使用高速电路. · 只要满足要求,系统主频尽量用低的. · 只要可能,宁可用数字电路,而不用模拟电路. · 对有用信号来说,模拟信号电平尽量取高的;而数字信 号的脉冲幅度尽量用低的. · 对于数字电路来说,采用状态触发的逻辑比沿边触发更 好. · 闲置不用的门输入端不要悬空.闲置的与门输入脚要接 正电源;闲置的或门输入脚要接地.也可将闲置输入脚与 同一集成电路的其他输入脚并联使用. · 闲置不用的运放的正输入端要接地,负输入端接运放 的输出端. · 如果匹配不成问题,最好使用低电阻和低输入阻抗的电 路,这时尽管功耗和di/dt会有所增加,但低的输入阻抗的 电路在外界电磁现象作用下所感应出来的干扰比较小,有 利于提高线路的抗干扰能力.
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· 对于接口和外围设备,尽可能用牢固的双极电路而少用 CMOS电路,因为前者有着较低的输入阻抗. · 对数字电路来说,要在靠近电路的电源和地之间加入必 要的去耦电容.去耦电容的引线要短.见图所示.
· 对敏感电路的引线不要与大电流,高速线平行布线,特 别要远离时钟线,避免敏感电路受到感应干扰. · 对所有输入/输出电缆要进行共模滤波,并将所有输入/ 输出电缆集中在线路板设定的I/O区域内,电缆线接插件要 靠近机箱上的连接器.
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· 在输入/输出接口上使用独立的地线.此地线要以低阻抗 与机壳连接;与其他部分的地线仅通过一点连接.此地线 专门为输入/输出电缆滤波和屏蔽提供一个干净的地. · 输入/输出与内部电路之间要用光耦来连接,籍以避免内 部电路受到外部线路的干扰. · 晶体振荡是整个电路中频率最高的部分,要求布置在印 刷电路板的中间,然后以最短的引线连至各需要部位.以 减少对外的辐射骚扰. · 石英晶体的外壳要接地. · 石英晶体振荡器(噪声最厉害的部分)下面和敏感电路 (对噪声特别敏感的部分)下面尽量不要走线.
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· 对于那些对高频干扰特别敏感,以及产生高频噪声特别 严重的电路,除了要分开布置外,还给以适当的屏蔽,要 采用金属屏蔽罩罩起来,屏蔽罩的材料以薄铜皮为好.. · 不要通过同一接插件来连接内部信号和外部信号. · 长线的驱动与接收要用差分电路,以便抑制共模干扰. 长线驱动器和接收器要尽量靠近接插件. · 对内部连接线多的IC电路,要注意布局,使彼此靠近, 以便使相互间有最短的连线. · 不要将输入与输出使用的运算放大器放在一起,以避免 产生寄生干扰. · 如果在印刷线路板上还要有少量手工布线,要求对电源 及其回线部分采用双绞线. · 对长线传输应考虑采用阻抗匹配,以避免因信号反射产 生的波形畸变. · 利用R-S触发器作为内部线路之间的缓冲配合.
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3 与印刷电路设计相关的若干问题的说明 3.1 逻辑电路工作时产生的干扰及其抑制方法 以TTL电路为例,在门电路开关瞬间有短暂的低阻抗穿通, 形成电流峰(见图),其持续时间与电路的开关速度相当. 这说明在电路开关瞬间,在线路板的电源和地线中存在着剧 烈的电流变化.
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其实除了TTL电路外,其他数字逻辑电路也有类似情况发 生,下表列出了几种常用逻辑集成电路开关速度及峰值电 流的典型值.
高速TTL电路 中速TTL电路 LSTTL电路 CMOS电路 电流峰 50～80mA 30 ～50mA 开关速度 3ns 10ns 9ns 50ns
对印刷电路来说,每cm导线的分布电感为15nH,因此IC电 路开关瞬间在2cm电源线上的瞬变,对高速路来说: ⊿V=L(di/dt)=15×10-9×2×(80×10-3/3×10-9)=0.8V 对中速电路: ⊿V=15×10-9×2×(50×10-3/10×10-9)=0.15V 可见,高速电路在电源线上产生的干扰要明显大于低速电 路,这映证了可不用高速电路就不用高速电路的结论.
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克服干扰的最方便办法是在每个逻辑电路的电源对地处并 联一个高频特性好的去耦电容(如0.01～0.1μF的独石电 容).要求电容与电路越近越好,电容引脚越短越好.也 可用铁氧体磁珠和电容的组件来吸收这种干扰,参见下 图.
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下面进一步说明对去耦电容使用中的一些要求: 实际使用的去耦电容并不是一个理想的电容,如果要用一个 等效电路来描述去耦电容的话,除了它固有的电容以外,还 应当包含引线电感和电阻.在下图中,给出了去耦电容的完 整等效电路.
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电容器的实际阻抗就是上述电路模型的特性阻抗,频率较 低时呈容性特性,即随频率升高而阻抗降低,直至在某一 频率点上发生谐振,此时阻抗将最低(等于ESR).当频 率继续升高时,特性阻抗随之而增高,呈电感特性.此时 电容的高频旁路作用减弱,甚至消失.基于这点分析,电 容引线应当越短越好.因此,在下图的左图才是去耦电容 的正确安装方法.另外,采用三端电容来去耦也是一个很 好的方法.
此外,旁路电容也不是越大越好.电容大,谐振点低,当 去耦频率超过谐振点后,电路旁路作用将变差.故最好办 法是通过试验来选择合适的电容.
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3.2 脉冲的频谱问题 本节讨论脉冲波形所包含的频谱问题: ① 同样的周期,不同波形的脉冲,有着不同的频谱.频谱 中的转折频率取决于脉宽tP;截止频率取决于沿边tf .
可见: 频 谱 中 的 最 高 频 率 fmax 由 脉冲形状决定.三角波的 边 沿 最 塌 , fmax 就 最低; 梯形波次之;矩形波最 高.
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② 脉冲的周期相同,但脉冲的宽度不同,则所产生的脉冲 频谱也就不相同.
可见: 频谱由脉宽决定,转折点 频率fu=1/πtP .tP 越窄, 反映的频谱就越宽.
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③ 脉冲宽度相同,但周期不同,则所产生的脉冲频谱也不 同.
可见: · 频谱中的幅度特性由脉 冲占空比决定,幅度U (f)=2UT×tP/T . · 占空比越大,反映频 谱中的谐波幅度也越大.
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从前面3张脉冲频谱图可见: · 频谱由脉宽决定,转折点频率 fu=1/πtP.tP越窄,反映 的频谱就越宽. · 频谱中的幅度特性由脉冲占空比决定,幅度 U ( f ) =2UT×tP/T . · 占空比越大,反映频谱中的谐波幅度也越大. · 频谱中的最高频率fmax由脉冲形状决定.三角波的边沿 最塌,fmax就最低;梯形波次之;矩形波最高. 由此可见,为使脉冲频谱不要太宽(频谱越宽,对外干扰 越不易控制),必须做到: ① 线路中的脉冲频率不要太高; ② 使用的逻辑电路不要片面追求高速电路.
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3.3 信号传输中出现的畸变与解决方法 当数字电路的输出由低电平向高电平瞬变时,与电路输出 端相连的传输线的对地电容要被充电到与电路输出高电平 相等才为止;而当电路的输出由高电平向低电平瞬变时, 传输线的分布电容要通过电路输出端来进行放电.由于电 路的输出阻抗较低,分布电容放电的瞬态电流较大,这个 电流与电路状态变化时的电源电流变化迭加,一起作用在 电源-地线系统,在电路的地线上便感应出了一个瞬变电 压.数字电路的低输出阻抗,使得传输线的分布电容和分 布电感组成了一个高Q值的谐振电路,这样在该电路的输 出波形中就出现以负尖峰为首的高频寄生振荡.其后果可 能有两个:一是过大的负尖峰会引起后级电路输入端子的 击穿;二是振荡的正峰超出后级电路的噪声容限时,会引 起后级电路的误动作.
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解决的办法之一:在后级电路输入端对地并联一个反向二 极管(二极管的阴极接后级电路的输入端子,而阳极接 地),用这个办法可对前级门输出波形的负峰削波.解决 的办法之二:在带传输线的电路输出端上串联一个电阻, 电阻的存在,可以限制传输线分布电容的放电电流.电阻 的存在,还降低了由于分布电容和电感组成的谐振电路的 Q值. 上述波形传输中因布线电感和电容引起的振荡瞬变也以高 速电路为最严重.这也说明能不用高速电路就不用高速电 路的道理.
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此外,在波形传输过程中还有一个阻抗匹配的问题.仍以 高速TTL电路为例,电路的输出阻抗不是一个常数,输出 为高电平时,100～150Ω;输出为低电平时,则只有几十 Ω.而后级电路的输入阻抗大约在3kΩ左右;传输线的阻 抗视所用线材不同而不同,同轴电缆为50或75Ω,双绞线 为100～150Ω.所以波形传输中的阻抗不匹配是必然的. 在波形传输过程中,凡是有阻抗不匹配情况存在,就必然 会有波形的反射发生.传输中,波形的多次反射,必然会 引起波形的畸变,严重的还会造成系统工作的不稳定.后 面一张图给出了一个实际试验的结果,其中,图a是传输 线终端接1MΩ电阻的电缆线始端与终端的波形,说明终 端波形严重失真;图b是传输线始端串25Ω匹配电阻的情 形;图c是传输线终端对地并联一个50Ω匹配电阻的情 形.传输线的特性阻抗为50Ω.从图b和c可以看出,采用 阻抗匹配的措施后,传输线终端的波形得到了根本性的改 善.
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b. 门电路输出端串25Ω电阻(始 端匹配)后的输出波形
a.信号传输中产生的畸变 c. 传输线终端对地并50Ω(终端匹 配)后的输出波形
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针对双绞线常被用作传输线的实际情况,考虑到双绞线的特 性阻抗为100～150Ω,为此,在双绞线的始端匹配时常用 110Ω左右的电阻;双绞线的终端匹配时常用300Ω和390Ω 构成的分压器,双绞线的终端被接在分压器的中心点上.图 中给出了匹配电阻的使用方法.
究竟什么时候需要用匹配措施,什么时候不需要用匹配措 施,完全取决于采用的逻辑电路的品种和传输线的长度.对 高速电路,传输线长度为20～25cm就要考虑匹配问题;对低 速电路,则可放宽到50cm以上.这同样说明一个问题:能不 用高速电路就不用高速电路.因为不用高速电路,可以在设 备内部的连接线处理上得到较多简化.
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顺便指出: · 一个IC电路只能带一根长的传输线,如果有几根传输线 要同时驱动,应通过缓冲门分别驱动. · 传输线要两端接地. · 对传输线长度超过5m或更长时,应采用差分驱动形式. 利用差分电路固有的抗共模干扰能力,可提高传输线路的 抗干扰能力,参见下图所示.
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3.4 信号线滤波 解决电缆引进的干扰问题有两种办法可以采用,一个是屏蔽 (采用屏蔽线);另一个是滤波.屏蔽要在屏蔽层端接良好 的情况下才有较好的屏蔽效能,在很多情况下较难做到这一 点,所以,对信号线的滤波不失为一个好办法. 信号线的滤波作用更多是用来对付来自空间的干扰问题(包 括从空间辐射进设备的干扰,和设备向空间发射的干扰). 它说明了为什么电缆线是电磁兼容的薄弱环节,也说明了为 什么我们经常认为共模干扰是为设备的主要危害.这一情况 也正好解释了为什么屏蔽巳经非常严密的设备还会出现电磁 兼容问题.这一切都是信号线所起的天线作用惹的祸.基于 这一原因,我们通常都要对非屏蔽的信号线端口安装信号线 滤波器,滤波器要安装在信号线进出的交界面上,要滤除的 主要是一些频率相当高的干扰信号.
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常用的信号线滤波器有两种方案: ⑴安装在印刷板上的滤波环节 优点是便宜.缺点是效果差些.主要原因是:①输入与输 出没有隔离,容易产生耦合.②滤波器的接地阻抗做不 低,削弱了高频旁路的作用.③滤波器与机箱之间的一段 连线会起到被动天线的作用,既会引入外界干扰,通过机 内部分连线产生辐射,影响内部电路工作的可靠性;也会 拾取内部电路产生的电磁骚扰(通过辐射感应的方式), 把它引到设备外部. ⑵安装在机箱及其构件上的滤波器 直接将滤波器(贯通滤波器,滤波阵列板和滤波连接器) 安装在设备的金属机箱及其构件上,可使滤波器的输入与 输出之间完全隔离,而且接地也良好,故滤波效果十分理 想.唯价格较贵,而且在设计之初就要在结构上给予考 虑.
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Ⅰ. 安装在印刷板上的信号线滤波环节 虽然在印刷板上安装信号线滤波环节的效果一般,但如能 使用得当,仍不失为一个价廉物美的方案.下列建议请考 虑. ① 滤波环节要放在印刷板靠近进线电缆插头的地方. ② 为防止同一组需要滤波的信号线中,已滤过波的,和还 没有滤过波的信号线之间产生耦合,滤波环节要放置成一 排,对所有进入印刷板的信号线同时滤波. ③ 在印刷板上要专门为滤波环节辟出一个"地",滤波环节 和进线电缆插头都安装在这个"地"上.注意,这个地仅仅 供滤波环节的滤波电容使用,而与印刷板的信号地只有一 点连接,或干脆不连,留到最后,在设备的统一接地点上 再连接.
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④ 上述印刷板的滤波环节专用地要与金属机箱可靠搭接. 如果机箱不是金属的,可在印刷板下面放一块面积大的金属 板作为"滤波地".所谓可靠搭接,必须用粗而短的金属构件 或射频连接线进行低阻抗连接. ⑤ 有滤波的电缆和没有滤波的电缆在布局上应尽可能分离 得远一点,防止射频耦合现象发生. ⑥ 在电缆插头进入印刷板的地方还应当设立一块金属挡 板,这会使隔离效果更好,参看下图所示.
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⑦ 在印刷板上安装信号线滤波环节可以是电阻和电容组成 的RC滤波器,也可以是磁珠和电容组成的LC滤波器,特别 后者是目前常见的形式,如下图所示.滤波环节参数的选择 是关键,电阻和电容参数过大会造成波形畸变,对高频信号 的 传 输 不 利 . 通 常 电 阻 在 100Ω 左 右 , 电 容 在 100pF ～ 1000pF,经试验后确定.
除了传统的RC和LC滤波器外,在国内外还有三端电容器和 带铁氧体磁珠的三端电容器可以使用,有体积小,效果好的 特点.
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Ⅱ. 安装在机箱及其构件上的信号线滤波器 总体设计时就考虑在机箱及其构件上安装信号线滤波器, 虽然价格较贵,但由于信号线被分割在两个空间里,信号 线在经过滤波器时得到了充分滤波,故可靠,高效是它的 最大特点. 根据参加滤波的信号线数目的多少,分为单线独立滤波器 和多线合用的滤波器两大类:
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⑴单线独立滤波器(贯通滤波器) 对于为数不多的几根信号线可使用通常被称为贯通滤波器的 单线独立滤波器.最普通的贯通滤波器就是穿心电容.如果 将穿心电容与铁氧体磁珠按照不同的电路结构组合起来可以 构成L型(一个穿心电容加一个电感),T型(两个电感加 一个穿心电容)及π型(两个穿心电容加一个电感)等滤波 电路,以适合不同源阻抗和负载阻抗的需要(以50Ω为参 考,电容输入,输出的滤波器用在高阻抗的电路中;而电感 输入,输出的滤波器则用在低阻抗的电路中).通常,滤波 器的器件数量越多,对干扰的衰减也越大,滤波器的过渡带 也越短(滤波特性陡峭).
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贯通滤波器的外形及电路结构:
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穿心电容的结构是地电极围绕在介质周围,同时信号线通过 介质.由于这种电容器的接地端面和信号端面都不存在剩余 电感,因此它提供的插入损耗近乎是理想的(见下图,作为 特性的比较,也给出了普通电容和三端电容的损耗特性).
贯通滤波器在使用时要注意滤波器外壳与面板应保持良好的 接触(部分滤波器是靠螺纹固定,部分则是将接地电极直接 焊在屏蔽板或面后板上).
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近年来,随着多层陶瓷电容器制作工艺的完善,采用多层陶 瓷技术制造的穿心电容,以及将这种穿心电容配上电感做成 的C / LC /π/ T型等四种贴片式滤波器已经有多家公司在市 面上销售,可以适应各种不同源阻抗和负载阻抗的需要.今 举英国SYFER公司的贴片式EMI滤波器为例,说明常用规 格的尺寸,电容器的容量,耐压情况及主要应用.
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图中给出了四输入线使用不同去耦和滤波元件的示例.
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图a是一般线路板采取无屏蔽安装的安装方法和使用效果; 图b则是"老鼠洞"技术屏蔽安装的安装方法和使用效果.该 图充分体现了贴片式滤波器的优点,首先是能有效"用自动 化贴片技术来进行安装.但如果没有采取屏蔽措施,在高 频时输入端头与输出端头会产生自我辐射干扰,降低了滤 波效果.如果在屏蔽板下部开"老鼠洞",把输入与输出端 头分布在屏蔽板的两边,隔离了端头之间的互相辐射,使 滤波效果高达1GHz以上,性能可与贯通式滤波器比美.
a.
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b.
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⑵多线合用滤波器(滤波连接器) 当穿过屏蔽体的导线数目很多时,必须使用多线合用滤波 器.目前使用的有两种,一种称为滤波列阵板,另一种为滤 波连接器.不管哪一种滤波器,实际上都在它的每个插针中 安装了低通滤波器.
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①滤波列阵板 滤波列阵板有单排和双排两种形式,引脚的间距为 2.54mm,扁平电缆的接头可直接插上,所以组装十分方 便,十分适合于作电路之间的隔离.滤波列阵板还有一种 是90°的弯脚,可直接连到印刷电路板上.滤波列阵板的 输出引脚的品种繁多,单排的可以达到30线,双排的最多 可达64线;滤波列阵板的电容值可选;滤波带宽从5MHz 至1GHz,甚至更高.滤波列阵板还有较好的抗振械振动 的性能,能在较恶劣的环境下使用.图示为滤波列阵板的 外形和应用例.
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②滤波连接器 滤波连接器采用标准的矩形和圆形连接器的接口尺寸,所以 可方便地和普通连接器实现对接.它的每一根插针均由一完 整C型低通滤波电路构成.加长尾部型有C型,L型或π型滤 波电路形式可选.全密封的设计,适合于恶劣环境使用,尤 其适合于航空/航天和军用电子设备使用.此外,滤波连接器 的滤波特性有多种,用户可根据不同要求选用. 除了将滤波连接器用在机箱间的信号线连接外,有的滤波连 接器的引脚设计成90°的弯脚,滤波连接器装在构件壁上, 引脚可直接焊在印刷板上,实现设备内部各部件之间的连 接.图示是各种滤波连接器的外形图.
注意: 无论使用滤波列阵板还是滤波连接 器,它们与安装板之间必须保持电 磁致密,避免电磁泄漏.
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Ⅲ. 三端电容器及带铁氧体磁珠的三端电容器 我们常用陶瓷圆片电容器作为旁路电容,将高频干扰短路到 地,达到抗干扰的目的.但是电容器的引线电感及电容内部 的剩余电感却限制了它的高频特性发挥.图示为普通电容器 做高频旁路时的引线电感影响例.
图中可见,电容器的插入损耗一开始随频率增加而增加,直 至达到自谐振频率(等效电感与电容的串联谐振),插入损 耗也达到最大值.此后,由于等效电感的感抗增大,使插入 损耗开始下降.
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为了在高频时也有较好的旁路作用,必须让旁路电容的自谐 振频率也较高,所以电容器的引线绝对不能长.另外,旁路 电容也不是越大越好,电容大,自谐振的频点偏低.所以, 最好的办法是通过试验来选择合适的电容,尽可能让要抑制 的干扰频率与自谐振点一致,以便使担当滤波的电容器带来 的插入损耗为最大.
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由于普通的两端电容有引线电感,所以总的剩余电感较 大,自谐振点也比较低.图中给出了一个三端电容器,与 两端电容相比,这个电容的上引线化成了两根(所以三端 电容有三根引线).三端电容器的这两根上引线化成了信 号传输线的一部分,于是引线电感与电容器变成了一个 "LC"滤波器.正是三端电容器巧妙地利用了引线电感,使 得三端电容器对干扰的抑制作用更好.
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三端电容器也有自谐振问题,电容量越大,自谐振频率越 向低频处移动.图中是日本村田公司的DS310系列三端电容 及其插入损耗例.
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三端电容之所以有较强的抑制干扰的能力,是由于在电容器 设计中巧妙地利用了引线电感,由此使人们联想到,如能人 为增大电感,例如在电容器上端的两根引线中串联两个磁 珠,就可以展宽抑制干扰的频带,提高抗干扰的能力.图中 是日本村田公司生产的带铁氧体磁珠的DST310系列三端电 容器及其损耗特性例.
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3.5 与印刷电路板连接电缆线的选择和使用 Ⅰ. 与印刷电路板连接的几种常用电缆 与印刷电路板连接的常用电缆有三种,分别是同轴电缆,双 绞线和带状电缆. ① 双绞线 双绞线因其价格便宜,加上它在低频下的性能也不差,故在 低于100kHz的情况下有广阔的应用前景.但在高于1MHz 时,屏蔽线的损耗大大增加.在高频段时,因其特性阻抗不 均匀,及由此而造成的反射,使应用受到限制. 双绞线有屏蔽和非屏蔽两种.带屏蔽的双绞线价格也不高, 使用也很方便.使用时信号电流在两根内导线上流动,噪声 电流在屏蔽层里流动,因此消除了公共耦合.对于外界干 扰,因同时感应在两根内导线上,故使干扰电压相消.
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非屏蔽的双绞线对抵御静电容耦合的能力弱些(除非它的终 端负载是平衡的),但对防止磁场感应仍有很好作用.由于 低频时的电磁感应是主要问题,因此非屏蔽的双绞线在低频 时发挥了它最佳的屏蔽效能.非屏蔽双绞线的屏蔽效果与单 位长度的扭绞次数成正比.举个例子,假定在同一位置上的 一对并行线的感应干扰的衰减为0dB,则双绞线节距为10cm 时,衰减将为23dB;节距为5cm时为41dB;节距为2.5cm时 为43dB.由此可见,节距越密(扭绞次数越多),双绞线的抗干扰性能就越好.
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② 同轴电缆 同轴电缆具有比较均匀的特性阻抗和比较低的损耗,从直流 到甚高频都非常适用. 同轴电缆应一点接地,它对容性耦合可提供良好的保护. 如果同轴电缆屏蔽层中有噪声电流流过,噪声电流与屏蔽层 电阻的乘积将转化为噪声电压,成为信号通路中的一部份. 此时应采用双层屏蔽的同轴电缆,让信号电流在芯线和内屏 蔽上流动,而让噪声电流在外层屏蔽中流动.这样可以消除 由于屏蔽层电阻产生的噪声.但双层屏蔽同轴电缆的价格较 贵,使用也不方便.
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大多数屏蔽电缆都用金属线编织层屏蔽的,编织层柔软, 耐用,但它的不致密会使屏蔽效果变差.特别是在高频 下,编织层的孔隙与波长之比变大,使屏蔽效能进一步减 小.在这种情况下的关键部位要用双层,甚至三层屏蔽的 电缆,以期提高编织层的覆盖率. 有薄铝箔屏蔽层的电缆,可提供几乎100%的覆盖率,所以 有较好的电场屏蔽效果.但它在强度上不如用编织层的屏 蔽电缆,而且端接情况也差(难于做到360的端接). 更好的屏蔽电缆由箔层与编织层组合,编织层可解决360的 连续端接,而金属箔层则可覆盖编织层的孔隙.
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③ 带状电缆 带状电缆由于其成本低,使用方便,故在计算机,仪器和其 他电子设备中作为信号连接电缆使用,十分普遍. 带状电缆使用的主要问题是信号线和地线的分配问题.图示 是带状电缆的几种信号线和地线的分配方案.
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图中: 在a中用一根作为地线,其余为信号线.其优点是导线数最 少,但信号线与接地回线之间存在大的环路面积,使辐射 及敏感度问题劣化.其次,所有信号线共用一根地线,产 生了公共阻抗耦合问题.再者,信号线之间有串扰问题. 故电磁兼容性差,不宜采用. 对于b,当属较好的方案.每根信号线都有自己的单独回 线,无公共阻抗,环面积最小,串扰也减至最小,但用线 数几乎为a的一倍. c是折衷方案.由两根信号线共用一根地线,环路面积小, 有一些公共阻抗,串扰也比b稍高,但用线数比b减少 25%.多数情况下,此方案己够用. d在带状电缆下有跨越电缆线宽度的平板(接地板),环面 积由平板和带状电缆的距离来决定.这种电缆的端接比较 困难,故很少采用.
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Ⅱ. 电缆线屏蔽层的接地问题 撇开带状电缆不谈,同轴线和双绞线都有一个屏蔽层的接地 问题.使用者经常困惑的是要不要接地,要几点接地,是始 端还是终端接地等等.图中是不同接地方法对磁场屏蔽的试 验结果(100kHz磁场干扰).
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在上图中: 电路A实际上不提供屏蔽. 电路B,屏蔽层一端接地,对磁场无屏蔽作用. 电路C,屏蔽层两端接地,对磁场有一些屏蔽作用. 电路D,绞线的作用被电路两端构成的地环路所破坏(比较 电路H和D的衰减,就可以看到这种情况). 电路E,双绞线加屏蔽层,屏蔽层一端接地,并未显示出有 额外的屏蔽效果. 电路F,屏蔽层两端接地,可提供一点额外的效果(比较E 来说),这是因为低阻抗的屏蔽层分流了部分磁感应地环 路电流. 总之电路A~F都不能提供良好的磁屏蔽性能,这都是因为有 地环流的缘故.如果电路必须两端接地,应使用C或F的形 式.
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电路G,在磁场屏蔽中有明显改进,这是因为同轴电缆只有 很小的环路面积. 电路H中的双绞线也能提供很好的屏蔽作用. 电路I,在双绞线外面增加了屏蔽,使屏蔽性能进一步改 善. 电路J的屏蔽层两端接地,在屏蔽层形成了地环路,屏蔽层 电流对两根中心导线感生了电压,使屏蔽性能稍稍减小. 电路K的屏蔽效果比I好,这是因为它组合了同轴电缆G和 双绞线I两个电路的特点. 但一般不建议用电路K,因为在屏蔽层上的任何噪声电流和 电压都可以作用到信号线上.
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从试验结果看: ①将100Ω(发送端)直接接地是不合适的,因为两端接地 为地环路电流提供了分流,使磁场屏蔽性能下降. ②双绞线或带屏蔽层的双绞线对磁场的屏蔽效果明显优于单 芯屏蔽线,这是由双绞线本身的特点所决定的. 试验中选用的100kHz是个临界点,频率低于它时,就用试 验提供的结果(单点接地).若频率高于此值时,电缆的屏 蔽层还是要采用多点接地.如果传输脉冲信号,若脉冲的上 升时间很短,则应按高频信号来处理.
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Ⅲ. 屏蔽电缆的端接方法 磁屏蔽的效果取决于环绕芯线周围的屏蔽电流的分布.而 端头附近的磁屏蔽效果取决于端接的方法,图示方式将使 屏蔽层电流集中在"小辫"这一侧,破坏了屏蔽的均匀性. 此外,图示的端接方法还破坏了屏蔽电缆阻抗的连续性, 而电缆连接部分与电缆线特性阻抗的匹配是保证连接处信 号不产生反射的关键.
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为获最大限度的屏蔽效果,并确保传输信号不产生由波形反 射引起的畸变,电缆线的屏蔽层应保持均匀端接,一个比较 好的方案是采用同轴连接器(如BNC或N型连接器).连接 器可以对屏蔽层提供360的电接触.同轴端接还提供完整的 内导体覆盖层,以保证电场屏蔽的完整性. 总之,理想的屏蔽层端接要求做到: ①接地阻抗要低; ②电缆线与连接器的特性阻抗要匹配; ③屏蔽层要有360的端接(360的端接本身也体现了配合上 的阻抗连续).
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3.6 由布线不当引起的电磁兼容问题 印刷电路板上的布线不当,设备的内部的布线不当常常是引 起设备的电磁兼容性能变差的重要因素: ① 印刷电路板上的每一根布线(包括设备里面的每一根连 接线)都可能是一根高效率的接收天线,能够接收空间的电 磁干扰,将干扰的能量传送到设备内部的敏感电路,形成干 扰; ② 这些布线和连接线本身还是一根高效率的辐射天线,能 够将印刷电路板(包括设备)工作时所产生的电磁骚扰以辐 射形式发射到空间,造成设备的辐射发射超标; ③ 当印刷电路板上以及设备里面相互平行的布线由于相距 很近时,使得布线之间存在着很大的寄生电容和电感,这些 电容和电感是导致电路板和设备内部信号相互串扰的主要原 因; ④ 此外,对于设备内部的电缆连接,如果设备各部分的接 地存在不同电位的话,就有可能通过电缆的屏蔽层引进地线 干扰.
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上述原因中的前三个都是十分明显的,对于第四个情况可以 通过下图来说明.在图中,两个设备的地线电位不等,形成 了电位差,在这个电位差的驱动下,会在电缆线的屏蔽层里 产生电流.由于屏蔽层与电缆线的内部导线之间有电容和电 感,因此屏蔽层里的电流可以在内导线上感应出噪声电压. 如果两根导线是平衡的,则感应出的噪声电压也相同,在输 入线路上就没有噪声电压.但是电路通常不平衡的,结果在 两根导线上就会产生不同的电压,这样就产生了噪声电压. 这种地线干扰是大系统中常见的现象,解决的方法是尽量使 地线的电位相同,或者将电缆线屏蔽层的一端接地,而另一 端断开,总之是想办法让电缆线屏蔽层里的电流为零.
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Ⅰ. 串扰 ⑴ 导线间的串扰与鉴别 导线之间发生串扰时,一根导线上的信号会耦合到另一根信 号线上,对与这根信号线连接的电路造成干扰.这种现象经 常发生在平行的导线之间.在设计设备的布线时,尤其要注 意对低电平模拟信号的传输问题,附近导线对它的串扰常常 是造成系统性能下降的主要原因.因此在布线的设计时,必 须对电缆线按传输信号的强弱进行分类归并,以便使可能发 生的串扰减至最小的程度.
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当发现电路中存在干扰时,首先要检查是否有串扰源存 在,这种串扰是不是从附近电路产生的.判断的方法如 下: ① 如果可能,将怀疑可能是干扰源的临近导线上的传输信 号暂时撤掉,若干扰消失,则可以断定,干扰是从临近导 线上来的; ② 降低潜在干扰源的信号幅度,例如可以在潜在干扰信号 的输出端对地并联一只电容,如果干扰消失,则可以断定 干扰是从这根导线上串扰过来的; ③ 用双踪示波器同时观察干扰信号和潜在的干扰源信号, 如果干扰信号近似是干扰源信号的微分,则可以断定怀疑 的干扰源就是真正干扰源; ④ 改变受干扰的导线与干扰源导线之间的距离,如果干扰 信号随着两者之间的距离增加而减小,则可以断定两根导 线之间存在串扰.
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⑵ 串扰电压的估算 ① 电容性串扰 对于两根平行的导线,当电缆的长度与波长相比很短时 (<λ/20),可以用集中参数模型来描述电容性耦合,如 图所示.
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针对上图,可得计算结果如下: 在频率很低时,R远小于C12和C2G构成的阻抗 ( 即R远小于 1/ jω(C12+C2G)),在这种情况下,串扰电压为 VN=jωRC12VI 式中可见,电容耦合的强度直接与频率,被干扰导体对地电 阻,两导体之间的电容成正比. 在频率很高时,R远大于C12和C2G构成的阻抗(即R远大于 1/ jω(C12+C2G)),在这个条件下,串扰电压为 VN=VIC12/(C12+C2G) 从此式可以看出,电容耦合的强度与频率和电路的阻抗都无 关,而仅与两导体之间的电容和接收导体的对地电容有关, 这些参数都与导线的结构直接相关.
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② 电感性串扰 导线之间的互感性串扰如图所示,当回路 1 有电流 I 流过 时,不仅会在回路 1 中产生磁通Φ,而且会在电路 2 中产生 磁通Φ12.回路2中的磁通量Φ12与电流I1之间通过一个系数 M来确定,这个M就是互感. M=Φ12/I1
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根据电磁感应定律,当一个闭合回路的磁场发生变化时,就 会在回路中产生感应电压.因此,Φ12在回路2中产生了感应 电压,电压值为 VN=dΦ12/dt=MdI1/dt 这说明回路1中的能量耦合进了回路2,形成了干扰电压,并 且这个电压是回路1中电流的微分.
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⑶ 消除串扰的方法 从上面的串扰计算式中可以看出有哪些参数对串扰电压有 影响,在实际工作中可以采取下面一些具体措施来控制这 些参数. ① 减小电容性串扰的方法 降低肇事电路的电源电压和工作频率; 增大线间的距离是减小电容耦合的最好办法(减少 C12); 将受干扰导线尽可能靠近参考地(增加C2G); 对长线最好以90°交叉布线,这时线路间的分布电容为 最小; 数字电路的串扰通常是由阻抗不匹配引起的反射的,所 以要检查线路的匹配情况; 采用屏蔽层,屏蔽层要接地.屏蔽层要尽量完整(使芯 线暴露出来的部分要尽量短).当干扰电压的频率较高时 (λ<20L),需要将屏蔽层多点接地;
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· 对于印刷电路板,可以在干扰与受干扰的两根布线之 间,有意识地插入一根地线或电源线, 这根地线和电源线 在这里充当了屏蔽的角色. · 降低敏感线路的输入阻抗,这对CMOS电路比较有效, 这是因为CMOS电路的输入阻抗很高,与静电容分压后, 干扰信号加到CMOS电路输入端子上的值很高.如有可 能,在CMOS电路的入口端对地并联一个电容或一个阻值 较低的电阻,这可以降低线路的输入阻抗,从而降低因静 电容而引入的干扰; · 如有可能,敏感电路采用平衡线路作输入,平衡线路不 接地.这样干扰源对平衡线路入口所施的是共模电压,利 用平衡线路固有的共模抑制能力,克服干扰源对敏感线路 的干扰; · 采用光缆来解决由分布电容引起的串扰.
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② 减小电感性串扰的方法 · 降低肇事源的电压和电流; · 尽可能工作在较低的频率下; · 尽可能用上升和下降时间都较长的数字波形; · 使用屏蔽电缆; · 减小干扰源和敏感电路的环路面积,最好的办法是使 用双绞线和屏蔽线,让信号线与接地线(或载流回线)扭 绞在一起,以便使信号与接地线(或载流回线)之间的距 离最近; · 增大线间距离,使得干扰源与受感应线路之间的互感 尽可能地小; · 采用差动放大器来工作,从而使两引出线中的共模感 应电流的作用趋于抵消; · 如有可能,使干扰源的线路与受感应的线路呈直角 (或接近直角)布线,这样可大大降低两线路间的耦合.
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⑷ 设备内部的一般布线方法 上面提到了影响布线间的相互干扰因素有电压,电流和频 率等,所以在设备正式开始布线之前,首要的一点是将线 路分一分类.主要的分类方法是按功率电平来进行,以每 30dB的功率电平分成若干组.
分类 功率范围 A B C D E F ＞40dBm 10~40dBm -20~10dBm 主要导线类别 高功率直流,交流和射频线(电磁骚扰源) 低功率直流,交流和射频线(电磁骚扰源) 脉冲和数字源,视频输出电路(音频视频源)
-50~-20dBm 音频和传感器敏感电路,视频输入电路(视频敏感电路) -80~-50dBm 射频,中频输入电路,安全保护电路(射频敏感电路) ＜-80dBm 天线和射频电路
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这种分类的好处是: ·干扰源和接收电路都是按功率分类的; · 将大体相差200dB的功率电平划分成大致相等的6个级 别,每一级别间大体相差30dB(故有时也称30dB分类 法),同一组线缆可扎在一起,不同组的线缆必须分开 捆扎,但对相邻组的个别线缆在经过屏蔽处理后也可归 在一起.分类捆扎的线束的最小间距是50~75mm.
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Ⅱ. 电缆线辐射与对外界干扰的抑制 线路板和设备内部的布线不当是导致设备产生辐射超标的 主要因素之一,这是因为布线的本身可能是一根高效的天 线.就于天线而言,接收和辐射是它固有特性的两个方 面,一根辐射效率高的天线,其接收也将是高效率的. 线路板和设备内部布线的对外辐射有两种形式,分别是环 天线和单极天线的对外辐射,参见图示.环天线辐射,是 指信号线及其回线所构成环路(这个环路形成了一个被动 的环形天线)的对外辐射,这是一种差模辐射;单极天线 辐射,是指信号通过单根导线的对外辐射,这是一种共模 辐射.
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⑴ 环天线辐射 环天线辐射(差模辐射)的最大值由下式表示: E=131.6×10-16(f2AI)/r 式中:E为电场强度,V/m; f为电流频率,Hz; A为环路面积,m2; I为电流强度,A; r为观察点到电流环路的距离,m. 从上式可见,减小环天线辐射的办法是:降低电路的工作 频率;减小信号的环路面积;减小信号的电流强度.对于 数字信号来说,只要系统工作正常,就不要用上升速率太 高的信号.此外,还可采用双绞线(包括屏蔽的和非屏蔽 的双绞线),同轴电缆,使用地线以信号线交错的扁平电 缆,以及光缆.
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⑵ 单极天线辐射 单极天线辐射(共模辐射)的最大值由下式表示: E=12.6×10-7(f I L)(L / r) 式中:E为电场强度,V/m; f为电流频率,Hz; I为电流强度,A; L为电缆长度,m; r为观察点到电缆的距离,m. 由上式可见,减少单极天线辐射的可用办法有:降低电缆 上的高频成分;使用尽量短的传输电缆;减小电缆上的电 流.还可以在电缆线上(特别是在靠近连接器处)使用共 模电感,一个最简单的办法是在电缆线上套铁氧体磁环. 使用插针滤波的连接器来衰减信号线的对外发射.通过使 用共模低通滤波器来衰减电源线对外的发射.面板安装式 是一种比较好的形式.另外,还可以使用屏蔽电缆,但要 注意电缆线的屏蔽层的端接位置,端接不好将不能取得满 意结果.
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通过对线路辐射情况的分析,再一次向读者表明在线路中 降低脉冲频率及不片面追求使用高速电路,对于抑制设备 及内部线路向外的电磁辐射是很有好处的. 上面只是强调了印刷电路板和设备内部布线的对外界的电 磁辐射问题,事实上,布线的天线作用有它的两面性:一 方面,它是辐射天线,对外进行电磁骚扰的辐射发射;另 一方面,布线又是一个接收天线,可以通过布线感受外界 的电磁干扰.针对外界的电磁干扰提出减少线缆对差模辐 射敏感度的办法是:减小布线的长度;使用双绞线(包括 屏蔽的和非屏蔽的);采用