圖9.1中舉例說明了工作中的電流環的基本互感耦合。電流離開門電路A,經由信號返回路徑X流回源端。由于電流路徑X、Y和Z相互重疊,路徑X的磁場將在信號路徑Y和Z上感應出噪聲電壓。
因為路徑Y與路徑X的重疊面積大于路徑X路徑X的重疊面積,所以路徑Y上的感應噪聲大于路徑Z上的感應噪聲。事實上,產生互感噪聲不需要路徑完全重疊,任何兩個相鄰近的電流環都會相互影響。
連接器的引腳之間也會有寄生電容,但在數字電路中,寄生電容引起的串擾要比互感引起的串擾小。現在我們首先重點討論問題較大的部分:電感。
1、估算串擾
對于圖9.1中任意信號引腳之間信號串擾的大小,估算一般需要3個條件。
兩個電流環之間的互感
源信號DI/DT的最大變化率
接收網絡的阻抗以及是否為源端或末端端接
考慮到兩個環路之間的互感,我們要找出最壞情況下的串擾,因此以下重點考慮兩個直接重疊的環路之間的相互影響,如圖9.1中的環路X和環路Y。
環路Y內的全部磁能量來自于兩個方面:首先是從門電路A流出并沿著信號線傳輸的電流,其次是沿著地線傳輸返回信號電流。因此互感公式包括兩項,其中的第二項(地線項)大于第一項:
(式1)
其中:A=信號X到信號Y的距離,IN
????? B=信號Y到地線的距離,IN
????? C=信號X到地線的距離,IN
????? D=連接器引腳的直徑,IN
????? H=連接器的引腳長度,IN
????? LX、Y=環路X和Y之間的互感,NH
上式中假設連接器是單排的,而且引腳相對較長。即使這些假設不成立,由于對數函數的特性,由上式也很容易得到在一個數量級內精確的結果,這足以準確地判斷連接器的串擾特性是否是一個值得注意的問題。如果連接器的特性關系到系統的性能,那么就買一個連接器并測試它的性能。
下面需要討論的問題是系統中DI/DT的最大值,我們采用式()或式()來估算DI/DT。
最后一個條件涉及到噪聲接受電路拓撲結構。圖9.2給出了選擇的方案:第一種情況,驅動器緊靠著連接器連接,這里“緊靠”的意思是驅動器到連接器的距離在一個上升沿的電氣長度之內,見式()。第二種情況,涵蓋了其他所有的結構形式,包括源端端接。
在第二種情況對應的結構中,耦合噪聲在兩個方向上各分一半。在第一種情況下,耦合進的噪聲迅速在低阻抗驅動端反射,使接收端的耦合噪聲加倍。
下面的公式給出了由于來自門電路A的單個階躍輸入,環路Y上感應出的噪聲脈沖的高度。該脈沖的持續時間與輸入脈沖的上升沿時間相當。
減緩驅動信號的上升沿時間可以直接減少串擾。如圖9.3所示,在連接器的源端并聯電容,可以減小驅動信號的上升時間。如果在接收端放置電容,只會使驅動端信號跳變時流過連接器的沖擊電流增加,使情況變得更糟。
2、如何通過接地改變返回電流路徑
下面給出了連接器特性的5個準則,結合式1,可以幫助估算連接器不同的接地排列時的性能。當對一個系統進行計算調整時,這些準則很有效。同時,使用這些準則,當提出不同的變更之后,我們可以預測將會發生什么情況。
準則1 在圖9.1中,通過改變接地模式,可以減小特定線路之間的互感。如果將地線移至距離環路X和Y更遠的地方,即增大B和C的值,式1中的兩項都會增加,互感LX、Y會增大。反之,將地線靠近環路X和Y,將會減小其互感。互感的變化與距離的對數值成正比。
準則2 額外增加的地會有更直接的效果。記住式1中第二項(地線項)最大。由于地線與環路X和Y緊密耦合,地線上的電流對環路Y有很大的影響。如果我們能將地線上的電流分為兩半,互感LX、Y幾乎會減少一半。
如圖9.4所示,通過在信號X上方增加一條地線,把地線上的電流分為兩半,電流將分為兩部分,分別流經每一條地線。相應地,互感LX、Y也會減小。增加更多的地線將進一步分散地線電流,但是不再像最初那樣將電流一分為二。
準則3 在信號X和Y之間插入地線與在它們之外增加地線有很大的差別。如果我們在X和Y之間增加N條地線,如圖9.5所示,使兩者的間距加大,它們之間的耦合隨之成比例下降,耦合正比于:
準則4 耦合到連接器上任意給定線路噪聲來自其他每個線。簡單地減少連接器上的信號個數就能減小總的串擾。另一方面,將連接器上的信號分成幾組。通過在各組之間插入地線即可減少其相互干擾。分組有效地減少了對特定的接收器產生嚴重串擾的線路數量,串擾基本上與地線之間的信號線數目成正比。
準則5 在連接器邊沿增加額外的地線減少串擾幾乎不起作用,在連接器邊沿采用大的接地效果也一樣。
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