高速電路的電磁兼容分析與設計

2 電磁兼容產生的要素
理論和實踐的研究證明，不管復雜系統還是簡單裝置，任何一個電磁干擾的發(fā)生必須具備三個基本條件：存在一定的干擾源、有干擾的完整耦合通道、有被干擾對象的響應。
2．1 電磁干擾源
電磁干擾源指產生電磁干擾的任何元件、器件、設備、系統或自然現象。高頻電路對電磁干擾尤為敏感，因而需要采取多種措施來抑制電磁干擾。經過理論與實驗分析得知：高頻電路中，電磁干擾主要來自以下幾個方面：
(1)器件工作的噪聲干擾
(a)數字電路工作時產生電磁干擾。
(b)信號電壓、電流變化產生的電磁場干擾。
(2)高頻信號噪聲干擾
(a)串擾：是指一個信號在傳輸通道上傳輸時，因電磁耦合而對相鄰的傳輸線產生不期望的影響，在被干擾信號表現為被注入了一定的耦合電壓和耦合電流。過大的串擾可能引起電路的誤觸發(fā)、時序延時，導致系統無法正常工作。
(b)回波損耗：當高頻信號在電纜及通信設備中傳輸時，遇到波阻抗不均勻點時，就會對信號形成反射，這種反射不但導致信號的傳輸損耗增大，并且會使傳輸信號畸變，對傳輸性能影響很大。
(3)電源噪聲干擾
PCB中的電源噪聲主要由電源自身產生或受擾感應的噪聲組成，主要表現為：①電源本身所固有的阻抗所導致的分布噪聲；②共模場干擾；③差模場干擾；④線間干擾；⑤電源線耦合。
(4)地線噪聲干擾
由于地線上存在電阻、阻抗，當電流通過地線時，就會產生壓降，當電流足夠大或工作頻率足夠高時，這個壓降會大到足以對電路造成干擾。地線導致的噪聲干擾主要包括地線環(huán)路干擾和公共阻抗耦合干擾。
(a)地線環(huán)路干擾：當多個功能單元連接在地線上時，如果地線中的電流足夠大，則會在設備間的連接電纜上產生壓降。由于各個電路間的電氣特性不平衡，每根導線上的電流會不同，因此產生差模電壓，從而對電路造成影響。此外外部電磁場也有可能在地線環(huán)路中感應出電流，從而導致干擾。
(b)公共阻抗耦合干擾；當多個功能單元公用同一段地線時，由于地線阻抗的存在，各個單元的地電位之間會發(fā)生相互調制，從而導致各個單元信號間相互耦合產生干擾，在高頻電路中，電路處于高頻工作狀態(tài)，地線阻抗往往較大，此時的公共阻抗耦合干擾尤其明顯。
消除公共阻抗耦合的途徑有兩個：一個是減小公共地線部分的阻抗，這樣公共地線上的電壓也隨之減小，從而控制公共阻抗耦合。另一個方法是通過適當的接地方式避免容易相互干擾的電路共用地線，一般要避免強電電路和弱電電路共用地線，數字電路和模擬電路共用地線。如前所述，減小地線阻抗的核心問題是減小地線的電感。這包括使用扁平導體做地線，用多條相距較遠的并聯導體作接地線。對于印刷線路板，在雙層板上布地線網格能夠有效地減小地線阻抗，在多層板中專門用一層做地線雖然具有很小的阻抗，但這會增加線路板的成本。通過適當接地方式避免公共阻抗的接地方法是并聯單點接地，并聯接地的缺點是接地的導線過多。因此在實際中，沒有必要所有電路都并聯單點接地，對于相互干擾較少的電路，可以采用串聯單點接地。例如，可以將電路按照強信號，弱信號，模擬信號，數字信號等分類，然后在同類電路內部用串聯單點接地，不同類型的電路采用并聯單點接地。
2．2 抑制耦合通道
高速電路中電磁干擾的主要耦合通道包括輻射耦合、傳導耦合、電容耦合、電感耦合、電源耦合以及地線耦合等。
對于輻射耦合來說，其主要抑制方法是采取電磁屏蔽，將干擾源與敏感對象有效隔離。
對于傳導耦合來說，其主要的方法是在信號布線的時候，合理安排高速信號線的走向。輸入輸出端用的導線應盡量避免相鄰平行，以免發(fā)生信號反饋或串擾，可在兩條平行線間增設一條地線加以隔離。對于外連信號線來說，應盡量縮短輸入引線，提高輸入端阻抗。對模擬信號輸入線最好加以屏蔽，當板上信號導線阻抗不匹配時，會導致信號反射，當印制導線較長時，線路電感會導致減幅振蕩。通過串入阻尼電阻(阻值通常取22～2 200 hm，典型值為470 hm)，可有效抑制振蕩，增強抗干擾能力，改善波形。