在平常的低頻數(shù)模混合電路應(yīng)用中，最容易出現(xiàn)的是共路耦合干擾，而不是串?dāng)_。下面就以一個(gè)很容易出問題的設(shè)計(jì)應(yīng)用為例帶大家分析一下共路耦合干擾。
應(yīng)用情景：
系統(tǒng)分為A、B兩部分，A部分輸出視頻信號(hào)給B，再經(jīng)由B板輸出；B板為A板提供電源（開關(guān)電源，DC12V，紋波幅度200mV，50KHz）。
四根線捆在一起，長(zhǎng)為30cm，為方便計(jì)算將其等效為如下四芯線模型（假設(shè)A板GND與AGND鋪銅連接――即只有GND，B板GND與AGND隔離）：
干擾分析：
先對(duì)線間串?dāng)_進(jìn)行分析，串?dāng)_分容性串?dāng)_和感性串?dāng)_。按情景粗略估計(jì)容性串?dāng)_和感性串?dāng)_值都比較小，但這里還是通過簡(jiǎn)化模型計(jì)算來計(jì)算一下串?dāng)_值的大小，好與共路耦合干擾做一下對(duì)比。
先分析一下容性串?dāng)_值（只分析12V對(duì)Vo的容性串?dāng)_值）。
簡(jiǎn)化后的模型如下：
12V電源線與Vo之間的互電容為C12；Vo線兩端分別是A板源阻抗RS和B板目標(biāo)阻抗RL，均為75歐；Vo對(duì)地電容為C2。聚乙稀材料相對(duì)介電常數(shù)為2.3，考慮到中間的氣隙，使用1.8代替2.3。（對(duì)容性串?dāng)_，為方便畫圖，將干擾源畫到A板側(cè)，無影響。）
C2＝1.8*0.3m*3.38/(0.14*log(4*2mm/0.5mm)) =10.8pF
C12=C2＝10.8pF（近似估算）
串?dāng)_電壓VSC＝V1*Z2/（Z1+Z2）
Z2=|(-j/(2π*50k*10.8pF)||75||75)|=37.5
Z1=|-j/(2π*50k*10.8pF)|=294k
串?dāng)_電壓值為200mV*37.5/294k=25.6uV
這樣小的串?dāng)_電壓不至于對(duì)1V峰峰值的視頻信號(hào)造成有害干擾。（信噪比為20log(0.5V/25.6uV)=86dB，而一般攝相機(jī)輸出信噪比為50dB，所以容性串?dāng)_對(duì)信號(hào)的影響可以忽略不計(jì)的。）
下面分析一下感性串?dāng)_：
把模型簡(jiǎn)化為兩個(gè)環(huán)形線圈的互感引起的干擾，將兩環(huán)路的電感分別等效到視頻信號(hào)和12V上。
兩個(gè)線圈之間的互感是（沒有找到公式，自己大概推導(dǎo)一下——具體步驟就不寫了。）：
M12＝μ*0.3m*ln((1.414*2mm+0.5mm/2)/(2mm-0.5mm/2))/π
=4*(10-7)*π/π*ln1.759
=0.226μH
B板負(fù)載RP等效為50歐電阻并100uF電容（等效串聯(lián)電阻ESR計(jì)為0.5歐）。則12V與地構(gòu)成的回路中電流交流成分幅度值為：
I1＝200mV/(50||(0.5-j/(50kHz*2*3.14*100uF)))=200mV/(50||(0.5-j0.03))=400mA
可見通過電容的交流電流還是比較大的，而這里對(duì)電流交流成分起決定性作用的是電容的ESR值。低ESR的電容有更好的濾波效果。
那么可以得出感性串?dāng)_電壓值為：
VSL＝I1*M12＝400mA*0.226uH=0.09uV
呵呵，感性串?dāng)_引起的干擾比容性串?dāng)_值還要小很多，更不會(huì)引起可見的視頻干擾。（注：并不是任何場(chǎng)合都是感性串?dāng)_小于容性串?dāng)_，而且也不一定都是很小的值，當(dāng)頻率升到100M左右數(shù)量級(jí)的時(shí)候這些值就會(huì)比較大了，而且那時(shí)感性串?dāng)_往往會(huì)比容性串?dāng)_更明顯。）
下面就有請(qǐng)我們今天的主角登場(chǎng)吧——共路耦合干擾。
對(duì)于A板，我們可以單點(diǎn)接地，也可以視情況做全面鋪銅而不區(qū)分GND和AGND，處理得當(dāng)?shù)脑捫Ч蛦吸c(diǎn)接地接近。而對(duì)B板，我們可以選擇單點(diǎn)連接、整板鋪銅或是斷開。如果單從單板設(shè)計(jì)角度來考慮，單點(diǎn)接地和整板鋪銅都是沒有問題的。但在這個(gè)系統(tǒng)中，B板地布的再好，只要AGND和GND連這就會(huì)導(dǎo)致共路干擾！唯一的選擇就是GND和AGND在B板上不連接！
看一下在B板GND和AGND單點(diǎn)連接或鋪銅連接的情況：
可以看到開關(guān)噪聲從12V輸出后有三條返回路徑，L1＝L2＝L3＝L4。
每根線自感按半匝線圈估算，一匝線圈電感值約為0.253uH，則每根線電感為0.13uH。對(duì)50kHz信號(hào)呈現(xiàn)阻抗為j2*3.14*50k*0.13uH＝j(luò)40 mΩ。另外線路本身驅(qū)膚效應(yīng)及導(dǎo)線本身電阻引進(jìn)的阻抗也差不多在30-50 mΩ，也按40 mΩ算，則總的阻抗值為40*1.414＝56 mΩ。不要小看這56 mΩ哈，看它給我們帶來了什么？？！
那么落在RL兩端的50kHz信號(hào)幅度為：
VL=V1*(Z4||Z2)/(Z1+ZP+(Z4||Z2))*(RL/(RL+ Z1+RS))
=200mV*28mΩ/(560 mΩ+j60 mΩ)*(75Ω/150Ω)
=5mV
對(duì)于一個(gè)電源來說，5mV不算什么了不起，不過，對(duì)弱信號(hào)來說這已經(jīng)是一個(gè)很“可觀”的噪聲（如果終端顯視器75歐阻抗匹配電阻未拉入的話將是10mV）。信號(hào)的信噪比一下子變?yōu)?0log(500mV/5mV)＝40dB。另外再考慮實(shí)際有效視頻信號(hào)占的幅度峰峰要小于1V（1V包含同步頭），實(shí)際的信噪比還會(huì)更低一些。這樣的干擾強(qiáng)度已經(jīng)對(duì)視頻信號(hào)起到影響！視頻信號(hào)行頻為1/64us=15625Hz，干擾源頻率為50kHz，可以在監(jiān)視器上看到淡淡的細(xì)紋，細(xì)紋間隔大致為6個(gè)行（間掃）。另外，只要干擾源頻率不是場(chǎng)頻的整數(shù)倍，我們就能在監(jiān)視器上看到滾動(dòng)的橫紋。這些都是經(jīng)過我驗(yàn)證過的。
引記：
通過這些相關(guān)的計(jì)算可以對(duì)容性串?dāng)_、感性串?dāng)_和共路干擾有一個(gè)更加深入的理性的認(rèn)識(shí)。從定性到定量，可以讓我們更好的理解這些干擾在我們?cè)O(shè)計(jì)中扮演的角色，也讓我們能夠更從容的處理我們的設(shè)計(jì)。如果不能過渡到量化這一階段來，我們接觸越多的東西只會(huì)變得更加迷茫，很多設(shè)計(jì)中的規(guī)則我們都知道什么樣好，什么樣不好，但當(dāng)多條規(guī)則沖突的時(shí)候我們可能就會(huì)手足無措，如何取舍？這就需要我們對(duì)這些沖突起到的影響量化。
舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，大家都說布線盡可能少走過孔，因?yàn)檫^孔會(huì)引入信號(hào)畸變�？墒峭ㄟ^信號(hào)線增加過孔換層反可以增強(qiáng)信號(hào)回路的連續(xù)性。比如下面這個(gè)例子，三根線信號(hào)均為100M的數(shù)據(jù)線：
對(duì)左圖來說看起來比較順暢，也是大多數(shù)人比較傾向的布線方式，右圖下面的信號(hào)“憑白”增加了兩個(gè)過孔，貌似不太順眼。其實(shí)左圖存在著嚴(yán)重的回流障礙，可以看到黃線所示為兩條信號(hào)回路的電流完整路徑（從上方繞行的回流較遠(yuǎn)，電流小很多，忽略掉），存在共路問題。一方面是共路阻抗會(huì)引起共路干擾，另一方面兩個(gè)電流環(huán)嵌套，存在比較大的互感，在100M的數(shù)據(jù)線上互感噪聲是很可觀的，如果豎線引起的缺口長(zhǎng)5cm，寬3mm的話，互感噪聲達(dá)到幾百mV是很容易的，如果是一組數(shù)據(jù)線的話，足以使干擾達(dá)到1V以上，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤或時(shí)序紊亂；而右圖通過增加兩個(gè)過孔則使兩個(gè)電流路徑分離開，沒有了嵌套的電流環(huán)，共路問題也得到極大改善！
那么，在100M的數(shù)據(jù)線上增加過孔不會(huì)導(dǎo)致信號(hào)畸變嗎？這就是上面我談到的量化的問題。如果你對(duì)過孔做一下模型分析的話，可以發(fā)現(xiàn)我們通常用的過孔可以簡(jiǎn)化等效為一些電感和電容的組合，其自諧振頻率在5G-10G左右，對(duì)200M以下的信號(hào)影響還是很小的，最多就是引入幾十ps的沿錯(cuò)位和少量的信號(hào)失真，相對(duì)信號(hào)回路分割來說，影響要小得多。
大家往往對(duì)數(shù)�；旌想娐泛透哳l電路有一些恐懼感，其實(shí)里面涉及到的東西也不是很復(fù)雜，主要就是模型提取及簡(jiǎn)化，再一個(gè)就是一些簡(jiǎn)單的計(jì)算。不要太迷信于別人的經(jīng)驗(yàn)，別人也是道聽途說得來的，很多是通過反復(fù)制版湊出來的經(jīng)驗(yàn)，是理論的擦邊球，并沒有切中要害的。真正的從理論上深入分析才能獲得更大的進(jìn)步，對(duì)一個(gè)新的PCB設(shè)計(jì)也能做到一版成功。
當(dāng)一天你看到板子上兩根線能大概心算出其間干擾強(qiáng)度的時(shí)候，再做板就很容易做出取舍了。 |
