如何避免在DSP系統(tǒng)中出現(xiàn)噪聲和EMI問題

串?dāng)_及傳輸線效應(yīng)

　　信號間的干擾，即串?dāng)_，可以通過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用信號以電氣的形式產(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，單端信號的布線間距應(yīng)至少是印制線寬度的2倍。對于像以太網(wǎng)和USB這類的差分信號，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)鍵信號可以用地和電源平面進(jìn)行屏蔽，或者在改板時增加與信號并行的地線。

　　有些信號還產(chǎn)生引起串?dāng)_的高頻諧波。由于輻射的能量正比于信號的上升和下降時間，較慢的上升或下降時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)部時鐘的輻射所引起。在北美地區(qū)第二頻道中，18.432MHz的音頻時鐘的三次諧波，將產(chǎn)生如圖中左側(cè)所示的干擾。通過在音頻時鐘印制線上增加一個串聯(lián)電阻來放慢時鐘的上升和下降時間，減小了干擾，其結(jié)果如圖6中的右側(cè)所示。不過，設(shè)計師需要了解定時裕度，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)射器時產(chǎn)生。通常，當(dāng)信號的上升時間小于傳播延遲的2倍時，印制線才發(fā)射信號。這就暗示出了一個經(jīng)驗，即為了減小傳播延遲，印制線的長度應(yīng)盡可能短。另一個是合理的信號端接將減慢信號的上升時間，從而將反射引起的過沖和欠沖減到最小。圖7顯示了如何利用并行端接來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)計師可能會質(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)信號完整性的精密調(diào)整。DSP無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。對于無連接的引腳來說，雖然內(nèi)部的上拉和下拉電阻是足夠的，但高速開關(guān)噪聲能夠傳過來，并會誤觸發(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)計無法通過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印制線，或者電纜的共模輻射，另一種是其信號和回路構(gòu)成一個大電流環(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。對于共模輻射，當(dāng)EMI來自外部電纜時(例如圖8所示的情況)，可以在電纜上加一個扼流圈。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，不過在信號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的印制線長度減短至小于信號波長(或信號頻率的倒數(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)載來降低源電流，用合適的電流通道來提供可以減小回路面積的回路，或者降低頻率。

　　在計算退耦電阻時，還應(yīng)考慮動態(tài)電流。高速電流可能隨時變化，這種瞬變也會引起輻射。此外，改變電容器的值時要防止自諧振限制頻率范圍。PCB分層是一個好方案，因為電源層對高頻形成自然的退耦，而地層則提供最短的回路。把高速信號隔離起來，并使其遠(yuǎn)離其他信號。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)計中的復(fù)雜的無用功能引起的，但通過上述的一些簡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)計通不過FCC的認(rèn)證。所幸的是，對噪聲和輻射的規(guī)劃和掌握可以幫助系統(tǒng)設(shè)計師將這些問題減到最小。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)計師就能有效地解決系統(tǒng)的噪聲和輻射。