互感--连接器引起串扰的因素分析 如何改变返回电流路径

连接器 2021-02-05118网络整理

图9.1中举例说明了工作中的电流环的基本互感耦合。电流离开门电路A,经由信号返回路径X流回源端。由于电流路径X、Y和Z相互重叠,路径X的磁场将在信号路径Y和Z上感应出噪声电压。

 互感--连接器引起串扰的因素分析 如何改变返回电流路径

因为路径Y与路径X的重叠面积大于路径X路径X的重叠面积,所以路径Y上的感应噪声大于路径Z上的感应噪声。事实上,产生互感噪声不需要路径完全重叠,任何两个相邻近的电流环都会相互影响。

连接器的引脚之间也会有寄生电容,但在数字电路中,寄生电容引起的串扰要比互感引起的串扰小。现在我们首先重点讨论问题较大的部分:电感。

1、估算串扰

对于图9.1中任意信号引脚之间信号串扰的大小,估算一般需要3个条件。

两个电流环之间的互感

源信号DI/DT的最大变化率

接收网络的阻抗以及是否为源端或末端端接

考虑到两个环路之间的互感,我们要找出最坏情况下的串扰,因此以下重点考虑两个直接重叠的环路之间的相互影响,如图9.1中的环路X和环路Y。

环路Y内的全部磁能量来自于两个方面:首先是从门电路A流出并沿着信号线传输的电流,其次是沿着地线传输返回信号电流。因此互感公式包括两项,其中的第二项(地线项)大于第一项:

(式1)

其中:A=信号X到信号Y的距离,IN

B=信号Y到地线的距离,IN

C=信号X到地线的距离,IN

D=连接器引脚的直径,IN

H=连接器的引脚长度,IN

LX、Y=环路X和Y之间的互感,NH

上式中假设连接器是单排的,而且引脚相对较长。即使这些假设不成立,由于对数函数的特性,由上式也很容易得到在一个数量级内精确的结果,这足以准确地判断连接器的串扰特性是否是一个值得注意的问题。如果连接器的特性关系到系统的性能,那么就买一个连接器并测试它的性能。

下面需要讨论的问题是系统中DI/DT的最大值,我们采用式()或式()来估算DI/DT。

最后一个条件涉及到噪声接受电路拓扑结构。图9.2给出了选择的方案:第一种情况,驱动器紧靠着连接器连接,这里“紧靠”的意思是驱动器到连接器的距离在一个上升沿的电气长度之内,见式()。第二种情况,涵盖了其他所有的结构形式,包括源端端接。

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在第二种情况对应的结构中,耦合噪声在两个方向上各分一半。在第一种情况下,耦合进的噪声迅速在低阻抗驱动端反射,使接收端的耦合噪声加倍。

下面的公式给出了由于来自门电路A的单个阶跃输入,环路Y上感应出的噪声脉冲的高度。该脉冲的持续时间与输入脉冲的上升沿时间相当。

减缓驱动信号的上升沿时间可以直接减少串扰。如图9.3所示,在连接器的源端并联电容,可以减小驱动信号的上升时间。如果在接收端放置电容,只会使驱动端信号跳变时流过连接器的冲击电流增加,使情况变得更糟。

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2、如何通过接地改变返回电流路径

下面给出了连接器特性的5个准则,结合式1,可以帮助估算连接器不同的接地排列时的性能。当对一个系统进行计算调整时,这些准则很有效。同时,使用这些准则,当提出不同的变更之后,我们可以预测将会发生什么情况。

准则1 在图9.1中,通过改变接地模式,可以减小特定线路之间的互感。如果将地线移至距离环路X和Y更远的地方,即增大B和C的值,式1中的两项都会增加,互感LX、Y会增大。反之,将地线靠近环路X和Y,将会减小其互感。互感的变化与距离的对数值成正比。

准则2 额外增加的地会有更直接的效果。记住式1中第二项(地线项)最大。由于地线与环路X和Y紧密耦合,地线上的电流对环路Y有很大的影响。如果我们能将地线上的电流分为两半,互感LX、Y几乎会减少一半。

如图9.4所示,通过在信号X上方增加一条地线,把地线上的电流分为两半,电流将分为两部分,分别流经每一条地线。相应地,互感LX、Y也会减小。增加更多的地线将进一步分散地线电流,但是不再像最初那样将电流一分为二。

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准则3 在信号X和Y之间插入地线与在它们之外增加地线有很大的差别。如果我们在X和Y之间增加N条地线,如图9.5所示,使两者的间距加大,它们之间的耦合随之成比例下降,耦合正比于:

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准则4 耦合到连接器上任意给定线路噪声来自其他每个线。简单地减少连接器上的信号个数就能减小总的串扰。另一方面,将连接器上的信号分成几组。通过在各组之间插入地线即可减少其相互干扰。分组有效地减少了对特定的接收器产生严重串扰的线路数量,串扰基本上与地线之间的信号线数目成正比。

准则5 在连接器边沿增加额外的地线减少串扰几乎不起作用,在连接器边沿采用大的接地效果也一样。


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