【導(dǎo)讀】在設(shè)計(jì)線纜、電線以及PCB布線設(shè)計(jì)方案時(shí)要注意雜散電容耦合的影響。在需要較長(zhǎng)線纜的應(yīng)用中，應(yīng)選擇電容較低的線纜，并通常需要在兩個(gè)可能相互耦合的信號(hào)間加入一個(gè)或多個(gè)acGND信號(hào)。本文將詳解如何最大限度減少線纜設(shè)計(jì)中的串?dāng)_？
最近在做一個(gè)項(xiàng)目時(shí)，我不得不對(duì)幾組電子電線進(jìn)行重新布線，讓它們遠(yuǎn)離越野車的發(fā)電機(jī)，因?yàn)殡娙蓠詈袭a(chǎn)生的噪聲可從發(fā)電機(jī)進(jìn)入電線。這個(gè)項(xiàng)目讓我想起了在通過(guò)電線、帶狀線纜或板對(duì)板連接器布線相互之間相鄰信號(hào)時(shí)所遇到的類似情況。
正如采用絕緣體隔離的任何其它導(dǎo)體一樣，任何相鄰布線的兩條電線都會(huì)在其之間產(chǎn)生電容。根據(jù)所用的線規(guī)和絕緣體材料，大部分標(biāo)準(zhǔn)帶狀線纜及電線會(huì)在電線之間產(chǎn)生10至50pF/ft的電容，如下圖1所示。
圖1.帶狀線纜中相鄰電線間的電容
由于信號(hào)會(huì)相互干擾，兩條信號(hào)線之間的電容會(huì)引起信號(hào)延遲、噪聲耦合或瞬態(tài)電壓。
圖2是電纜電容在通用雙線開(kāi)漏通信總線中引起大量瞬態(tài)電壓的實(shí)例。右圖是“開(kāi)始”命令與左圖前幾個(gè)時(shí)鐘脈沖的放大圖。
圖2.帶狀線纜的電容耦合
使用三英尺長(zhǎng)的線纜路由兩個(gè)相鄰?fù)ㄐ判盘?hào)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)圖2中的結(jié)果。這會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)信號(hào)間的電容超過(guò)50pF。
由于該電容的存在，在一個(gè)信號(hào)產(chǎn)生變化時(shí)，可導(dǎo)致另一個(gè)信號(hào)產(chǎn)生電壓瞬變。其產(chǎn)生的原因是，當(dāng)一個(gè)信號(hào)電平發(fā)生變化時(shí)線纜電容需要瞬態(tài)電流在信號(hào)間流動(dòng)。
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靜態(tài)信號(hào)上出現(xiàn)的瞬態(tài)電壓強(qiáng)度取決于線纜電感以及信號(hào)驅(qū)動(dòng)器提供所需瞬態(tài)電流的能力。在這種情況下，由于耦合引起的瞬態(tài)電壓非常高，超過(guò)了可導(dǎo)致數(shù)據(jù)損壞的邏輯電平閥值，因此通信無(wú)法成功進(jìn)行。
在信號(hào)間安放一根或多根GND線，會(huì)減少其間的電容，如圖3所示。這種方法可降低信號(hào)間的電容，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致來(lái)自每個(gè)信號(hào)的GND電容。GND電容會(huì)引起信號(hào)延遲與數(shù)字邊界環(huán)繞，但只要影響不太嚴(yán)重，通常不會(huì)導(dǎo)致通信故障。
圖3.采用GND分離信號(hào)
圖4顯示了在我對(duì)其進(jìn)行修改—在信號(hào)線之間添加兩個(gè)GND信號(hào)后的通信信號(hào)效果。改動(dòng)后信號(hào)間電容降至約10pF。這樣，瞬態(tài)電壓得到了顯著降低，通信獲得了成功。
圖4.通過(guò)降低電容實(shí)現(xiàn)成功的通信
總之，在設(shè)計(jì)線纜、電線以及PCB布線設(shè)計(jì)方案時(shí)要注意雜散電容耦合的影響。在需要較長(zhǎng)線纜的應(yīng)用中，應(yīng)選擇電容較低的線纜，并通常需要在兩個(gè)可能相互耦合的信號(hào)間加入一個(gè)或多個(gè)acGND信號(hào)。
