如何避免在DSP系統(tǒng)中出現(xiàn)噪聲和EMI問(wèn)題

串?dāng)_及傳輸線效應(yīng)

　　信號(hào)間的干擾，即串?dāng)_，可以通過(guò)電磁輻射在印制線間傳播。這也可能由電源和地平面上的無(wú)用信號(hào)以電氣的形式產(chǎn)生。串?dāng)_與印制線間距的平方成反比。因此，為了將串?dāng)_減到最小，單端信號(hào)的布線間距應(yīng)至少是印制線寬度的2倍。對(duì)于像以太網(wǎng)和USB這類的差分信號(hào)，印制線間距需要與印制線寬度相同，目的是能夠與差分阻抗相匹配。關(guān)鍵信號(hào)可以用地和電源平面進(jìn)行屏蔽，或者在改板時(shí)增加與信號(hào)并行的地線。

　　有些信號(hào)還產(chǎn)生引起串?dāng)_的高頻諧波。由于輻射的能量正比于信號(hào)的上升和下降時(shí)間，較慢的上升或下降時(shí)間引起的干擾將較小。圖6顯示出視頻干擾的實(shí)例，這些干擾可能由內(nèi)部時(shí)鐘的輻射所引起。在北美地區(qū)第二頻道中，18.432MHz的音頻時(shí)鐘的三次諧波，將產(chǎn)生如圖中左側(cè)所示的干擾。通過(guò)在音頻時(shí)鐘印制線上增加一個(gè)串聯(lián)電阻來(lái)放慢時(shí)鐘的上升和下降時(shí)間，減小了干擾，其結(jié)果如圖6中的右側(cè)所示。不過(guò)，設(shè)計(jì)師需要了解定時(shí)裕度，以便于將上升和下降沿降低到系統(tǒng)所允許的限度內(nèi)。

 
圖6：解決音視頻串?dāng)_。

　　與串?dāng)_相關(guān)的是傳輸線效應(yīng)，這種效應(yīng)在高速印制線變成產(chǎn)生輻射干擾的發(fā)射器時(shí)產(chǎn)生。通常，當(dāng)信號(hào)的上升時(shí)間小于傳播延遲的2倍時(shí)，印制線才發(fā)射信號(hào)。這就暗示出了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)，即為了減小傳播延遲，印制線的長(zhǎng)度應(yīng)盡可能短。另一個(gè)是合理的信號(hào)端接將減慢信號(hào)的上升時(shí)間，從而將反射引起的過(guò)沖和欠沖減到最小。圖7顯示了如何利用并行端接來(lái)校正電平并將傳輸線效應(yīng)減到最小。

 
圖7:利用端接將傳輸線效應(yīng)減到最小。

　　設(shè)計(jì)師可能會(huì)質(zhì)疑，既然芯片內(nèi)部已經(jīng)集成了電阻，在外部端接負(fù)載電阻是否還有其重要性。實(shí)際上，除了控制傳輸線效應(yīng)外，外部電阻還可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)完整性的精密調(diào)整。DSP無(wú)法與電路板阻抗完全匹配，因此端接負(fù)載可以減小源電流，以及上升和下降時(shí)間。

　　與外部端接負(fù)載電阻一樣，外部的上拉和下拉電阻也是重要的。對(duì)于無(wú)連接的引腳來(lái)說(shuō)，雖然內(nèi)部的上拉和下拉電阻是足夠的，但高速開關(guān)噪聲能夠傳過(guò)來(lái)，并會(huì)誤觸發(fā)連接端上的內(nèi)部邏輯。

控制EMI

　　能夠輻射到系統(tǒng)外的輻射被認(rèn)為是EMI，這可能使設(shè)計(jì)無(wú)法通過(guò)FCC認(rèn)證。有兩種可能的輻射：一種是發(fā)射源是一條直線型的信號(hào)印制線，或者電纜的共模輻射，另一種是其信號(hào)和回路構(gòu)成一個(gè)大電流環(huán)路的差分模式輻射。共模輻射隨著頻率的升高而降低，而差分模式輻射則隨著頻率的升高而增強(qiáng)，直到其飽和點(diǎn)。這兩種模式的輻射如圖8和9所示。

 
圖8：共模輻射。

 圖9：差模輻射。

　　如何處理EMI取決于輻射源。對(duì)于共模輻射，當(dāng)EMI來(lái)自外部電纜時(shí)(例如圖8所示的情況)，可以在電纜上加一個(gè)扼流圈。如果導(dǎo)致EMI的是內(nèi)部傳輸線，則通常用端接負(fù)載的方式，不過(guò)在信號(hào)印制線間加入一條地線也有助于減小輻射。另一種可能的方案是將信號(hào)的印制線長(zhǎng)度減短至小于信號(hào)波長(zhǎng)(或信號(hào)頻率的倒數(shù))的1/20。例如，為了避免傳輸輻射，500MHz的印制線應(yīng)該短于1.18英寸。

　　對(duì)于差分模式輻射，所輻射的能量是電流、環(huán)路面積和頻率的函數(shù)。減小輻射的方法包括：端接負(fù)載來(lái)降低源電流，用合適的電流通道來(lái)提供可以減小回路面積的回路，或者降低頻率。

　　在計(jì)算退耦電阻時(shí)，還應(yīng)考慮動(dòng)態(tài)電流。高速電流可能隨時(shí)變化，這種瞬變也會(huì)引起輻射。此外，改變電容器的值時(shí)要防止自諧振限制頻率范圍。PCB分層是一個(gè)好方案，因?yàn)殡娫磳訉?duì)高頻形成自然的退耦，而地層則提供最短的回路。把高速信號(hào)隔離起來(lái)，并使其遠(yuǎn)離其他信號(hào)。如果可能的話，不要把地層隔開。盡管噪聲和輻射是由系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的復(fù)雜的無(wú)用功能引起的，但通過(guò)上述的一些簡(jiǎn)單方法還是可以控制的。

本文小結(jié)

　　高速的DSP視頻系統(tǒng)中有許多潛在的噪聲和輻射源，它們可以擾亂系統(tǒng)的工作，或者使設(shè)計(jì)通不過(guò)FCC的認(rèn)證。所幸的是，對(duì)噪聲和輻射的規(guī)劃和掌握可以幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)師將這些問(wèn)題減到最小。早期的努力將節(jié)省大量的調(diào)試工作和后期的麻煩。PCB布局和回路退耦是設(shè)計(jì)師可以限制系統(tǒng)噪聲和EMI的兩種常用技術(shù)。具備了這些技術(shù)，DSP視頻設(shè)計(jì)師就能有效地解決系統(tǒng)的噪聲和輻射。