如何最大限度減少線纜設(shè)計(jì)中的串?dāng)_

最近在做一個項(xiàng)目時(shí)，我不得不對幾組電子電線進(jìn)行重新布線，讓它們遠(yuǎn)離越野車的發(fā)電機(jī)，因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/電容">電容耦合產(chǎn)生的噪聲可從發(fā)電機(jī)進(jìn)入電線。這個項(xiàng)目讓我想起了在通過電線、帶狀線纜或板對板連接器路由相互之間相鄰信號時(shí)所遇到的類似情況。

正如采用絕緣體隔離的任何其它導(dǎo)體一樣，任何相鄰布線的兩條電線都會在其之間產(chǎn)生電容。根據(jù)所用的線規(guī)和絕緣體材料，大部分標(biāo)準(zhǔn)帶狀線纜及電線會在電線之間產(chǎn)生 10 至 50 pF/ft 的電容，如下圖 1 所示。

圖 1. 帶狀線纜中相鄰電線間的電容

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

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

圖 2. 帶狀線纜的電容耦合

使用三英尺長的線纜路由兩個相鄰?fù)ㄐ判盘枙r(shí)，會出現(xiàn)圖 2 中的結(jié)果。這會導(dǎo)致兩個信號間的電容超過 50pF。

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

靜態(tài)信號上出現(xiàn)的瞬態(tài)電壓強(qiáng)度取決于線纜電感以及信號驅(qū)動器提供所需瞬態(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，超過了可導(dǎo)致數(shù)據(jù)損壞的邏輯電平閥值，因此通信無法成功進(jìn)行。

在信號間安放一根或多根 GND 線，會減少其間的電容，如圖 3 所示。這種方法可降低信號間的電容，但同時(shí)會導(dǎo)致來自每個信號的 GND 電容。GND 電容會引起信號延遲與數(shù)字邊界環(huán)繞，但只要影響不太嚴(yán)重，通常不會導(dǎo)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 — 在信號線之間添加兩個 GND 信號后的通信信號效果。改動后信號間電容降至約 10pF。這樣，瞬態(tài)電壓得到了顯著降低，通信獲得了成功。

圖 4. 通過降低電容實(shí)現(xiàn)成功的通信

總之，在設(shè)計(jì)線纜、電線以及 PCB 路由設(shè)計(jì)方案時(shí)要注意雜散電容耦合的影響。在需要較長線纜的應(yīng)用中，應(yīng)選擇電容較低的線纜，并通常需要在兩個可能相互耦合的信號間加入一個或多個 ac GND 信號。