利用功能隔離器中斷接地環(huán)路以減少數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤

長距離傳輸數(shù)據(jù)充滿著各種各樣的潛在問題。接地環(huán)路可能是一個(gè)干擾源，它能在傳輸兩端的接地之間產(chǎn)生噪聲電壓，此電壓如果足夠大，就可能導(dǎo)致接收端數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。本文闡釋接地環(huán)路如何形成，并且討論如何利用電流隔離來消除接地環(huán)路。

顧名思義，接地環(huán)路是系統(tǒng)接地方案中的一個(gè)物理環(huán)路，產(chǎn)生于電路之間的多個(gè)接地路徑。這些接地路徑可以充當(dāng)一個(gè)大環(huán)路天線，從環(huán)境中拾取噪聲，從而在接地系統(tǒng)中產(chǎn)生電流。交流電源的50/60 Hz磁場(chǎng)是接地環(huán)路拾取的常見噪聲源。類似地，對(duì)于分布式接地系統(tǒng)，源于某個(gè)位置的地電壓噪聲也能引起地電流在接地環(huán)路中流動(dòng)。由于地為低阻抗，因此噪聲電流往往相當(dāng)大。數(shù)百毫伏的噪聲可能會(huì)引起數(shù)安培的電流流過接地環(huán)路。

圖1示例說明了一個(gè)通用數(shù)據(jù)傳輸路徑中如何發(fā)生接地環(huán)路干擾。器件#1驅(qū)動(dòng)一個(gè)單端信號(hào)，器件#2接收該信號(hào)。信號(hào)線接地于任一器件。接地連接可以是屏蔽的同軸電纜等。這些器件的地之間存在另一個(gè)低阻抗路徑，它流過器件電源的安全地,這兩個(gè)接地連接構(gòu)成一個(gè)大環(huán)路，從鄰近干擾源的磁場(chǎng)拾取噪聲電壓。這種干擾會(huì)損害器件#2接收到的信號(hào)，影響傳輸。

圖1: 一個(gè)通用數(shù)據(jù)傳輸路徑中如何發(fā)生接地環(huán)路干擾

設(shè)計(jì)人員應(yīng)小心謹(jǐn)慎，通過單點(diǎn)接地來避免形成環(huán)路，但有些接口要求在收發(fā)器之間進(jìn)行接地連接。必須中斷這種接地連接，同時(shí)維持從發(fā)送器到接收器的信息流。換言之，兩個(gè)器件之間需要進(jìn)行電流隔離。

中斷接地環(huán)路的可能方法之一是使用光耦合器，如圖2所示。

圖2: 使用光耦合器中斷接地環(huán)路

器件#1驅(qū)動(dòng)光耦合器的LED，LED激勵(lì)光電耦合器中的電流。通過電纜的接地連接被消除，防止噪聲電流在器件#1與器件#2之間流動(dòng)，信息以光的形式傳輸。

隨著接口的性能和復(fù)雜度提高，這種方法會(huì)有局限性。光隔離接口可能變得復(fù)雜、昂貴，并且需要大量板空間。光耦合器的傳播延遲相當(dāng)大，只適用于低速信號(hào)。使用多個(gè)光耦合器時(shí)，LED和上拉電阻的功耗可能變得相當(dāng)高?？梢允褂脭?shù)字隔離技術(shù)來中斷接地環(huán)路，接口性能則不受影響，而且應(yīng)用電路簡單，所需器件相對(duì)較少。數(shù)字隔離式是非光學(xué)隔離器，利用CMOS接口IC通過容性或磁性耦合來傳輸信息。

利用一條USB電纜連接兩個(gè)交流電源供電的器件可能會(huì)造成一個(gè)接地環(huán)路，從而中斷總線通信。USB通信在一對(duì)雙向差分線上進(jìn)行（圖3中的D+和D-信號(hào)）。主器件控制總線并與外設(shè)通信。數(shù)據(jù)分組的方向由USB協(xié)議確定，而不是通過控制信號(hào)確定。主器件為外設(shè)提供電源和接地連接。USB電纜的這個(gè)接地連接與主機(jī)和外設(shè)的安全地形成一個(gè)接地環(huán)路，它可能導(dǎo)致外設(shè)的地電位相對(duì)主機(jī)的地電位移動(dòng)，使得通信不可靠（參見AN-375、AN-727）。