利用雙絞線(xiàn)與低通濾波器抑制RFI和EMI有效方案

引言

“The Twist”指雙絞線(xiàn)，Alexander Graham Bell于1881年申請(qǐng)?jiān)擁?xiàng)專(zhuān)利。而該項(xiàng)技術(shù)一直沿用到今天，原因是它提供了諸多便利。此外，隨著現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）器件處理能力的逐漸強(qiáng)大，結(jié)合電路仿真及濾波器設(shè)計(jì)軟件，使得雙絞線(xiàn)在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越普遍。

FPGA為設(shè)計(jì)工程師提供了強(qiáng)大、靈活的控制能力，特別是那些無(wú)法獲取專(zhuān)用集成電路（ASIC）的小批量設(shè)計(jì)項(xiàng)目，可以利用FPGA實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)；許多大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)初期也利用FPGA進(jìn)行原型開(kāi)發(fā)，并定制芯片之前對(duì)新功能進(jìn)行測(cè)試。FPGA的強(qiáng)大之處在于復(fù)雜的數(shù)字處理功能，而一些模擬信號(hào)則會(huì)受限于數(shù)字噪聲的干擾。需要外部提供模擬放大，以及失調(diào)、濾波和信號(hào)處理，確保FPGA滿(mǎn)足系統(tǒng)的整體需求。

本文討論了如何將雙絞線(xiàn)與低通濾波器相結(jié)合，抑制射頻干擾（RFI）和電磁干擾（EMI）。我們還介紹了如何利用高精度電阻排設(shè)計(jì)定制化差分放大器，消除信號(hào)干擾并改善FPGA系統(tǒng)的性能。在我們選擇頻響特性時(shí)，利用高精度電阻設(shè)置增益和共模抑制比。

雙絞線(xiàn)的重要性

雙絞線(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)通信有著重大意義，能夠大幅降低串?dāng)_、RFI和EMI.

互聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)的普及帶動(dòng)了雙絞線(xiàn)應(yīng)用的普及，許多人誤以為雙絞線(xiàn)是項(xiàng)新發(fā)明，實(shí)際情況并非如此。圖1所示是Alexander Graham Bell早在1881年就已申請(qǐng)的專(zhuān)利副本，他描述了多對(duì)雙絞線(xiàn)之間的相互影響。

圖1. Alexander Graham Bell于1881年獲得美國(guó)專(zhuān)利244，426

Bell先生指出：多個(gè)電路通過(guò)兩條線(xiàn)連接——一條直通線(xiàn)和一條返回線(xiàn)，構(gòu)成一個(gè)金屬線(xiàn)導(dǎo)電回路。當(dāng)金屬線(xiàn)導(dǎo)電回路置于其它電路附近時(shí)，如果周邊電路在兩條線(xiàn)上感應(yīng)信號(hào)不同，則金屬線(xiàn)所連接的電話(huà)及其它電氣設(shè)備就會(huì)感應(yīng)干擾信號(hào)；顯而易見(jiàn)，如果在直通線(xiàn)和返回線(xiàn)上產(chǎn)生相同影響，則其中一條導(dǎo)線(xiàn)產(chǎn)生的電流將抵消另一條導(dǎo)線(xiàn)產(chǎn)生的電流。如果兩條導(dǎo)線(xiàn)與干擾電流的感應(yīng)關(guān)系相同，或?qū)蓷l導(dǎo)線(xiàn)置于與上述電路相同的距離（確保其它條件完全相同），則可避免干擾。

這些經(jīng)過(guò)125年歷史驗(yàn)證的真理，為現(xiàn)代的差分信號(hào)原理奠定了基礎(chǔ)。圖2所示，導(dǎo)線(xiàn)A的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)在導(dǎo)線(xiàn)B中產(chǎn)生所不期望的電流。

圖2.導(dǎo)線(xiàn)之間的串?dāng)_：導(dǎo)線(xiàn)A中電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)在導(dǎo)線(xiàn)B產(chǎn)生所不期望的電流。

圖中導(dǎo)線(xiàn)之間的電容表示雜散分布電容，當(dāng)增大串?dāng)_信號(hào)的頻率時(shí)，電容耦合將更為明顯。圖3中，我們觀察到Bell先生提出的“抵消”效應(yīng)。當(dāng)在雙絞線(xiàn)兩側(cè)施加相等的干擾信號(hào)時(shí)，干擾信號(hào)將被抵消。射頻環(huán)境下，雜散電容會(huì)耦合導(dǎo)線(xiàn)之間的能量。同理，由于雙絞線(xiàn)的干擾相等、方向相反，RFI趨于抵消。以差分形式接收雙絞線(xiàn)信號(hào)將增強(qiáng)“抵消”效應(yīng)。

圖3.當(dāng)對(duì)雙絞線(xiàn)兩側(cè)施加相等的干擾信號(hào)時(shí)，導(dǎo)線(xiàn)之間的串?dāng)_被抵消。

也可以利用屏蔽導(dǎo)體將雙絞線(xiàn)包裹起來(lái)，起到靜電屏蔽作用。屏蔽增大了雜散電容，作用相當(dāng)于低通濾波器，進(jìn)一步衰減RF干擾。導(dǎo)線(xiàn)的阻性和感性為串聯(lián)元件，分散電容對(duì)地形成低通濾波器。當(dāng)通信鏈路僅傳輸?shù)皖l信號(hào)時(shí)，例如電話(huà)音頻或其它窄帶信號(hào)，這一特性有助于改善傳輸效果。